Кіріспе

Микротолқынды химия – химиялық реакцияларға микротолқынды сәулеленуді қолдану ғылымы. Микротолқын жоғары жиілікті электр өрісі ретінде әрекет етеді және көбінесе қозғалмалы электр зарядтары бар кез келген материалды, мысалы, еріткіштегі полярлы молекулаларды немесе қатты денедегі өткізгіш иондарды қыздырады. Полярлы еріткіштер олардың құрауындағы молекулалар өріспен бірге айналуға мәжбүр болып, соқтығысқанда энергиясын жоғалту арқылы қыздырылады. Жартылай өткізгіш және өткізгіш үлгілердегі иондар немесе электрондар электр тогын құрап, материалдың электр кедергісіне байланысты энергия жоғалту арқылы қызады. Микротолқынды қыздыру 1986 жылы жарияланған мақалалардан кейін зертханаларда кеңінен қолданыс тапты, бірақ химиялық өзгертулерде микротолқынды қыздыруды қолдану 1950 жылдарға дейін жетеді. Кейде бұл әдіс MAOS (микротолқынмен көмектесетін органикалық синтез), MEC (микротолқынды күшейтілген химия) немесе MORE синтезі (микротолқынды органикалық реакцияны күшейту) сияқты аббревиатуралармен белгіленсе де, бұл аббревиатуралар көптеген топтардан тыс жерде кеңінен танылмаған.

Жылу әсері

Дәстүрлі жылыту әдетте пеш немесе май ваннасын пайдалануды қамтиды, ол конвекция немесе жылу өткізгіштік арқылы реактор қабырғаларын қыздырады. Мысалы, үлкен керамикалық кірпіштерді қыздырғанда, үлгінің ядросы мақсатты температураға жету үшін көп уақыт алады. Ішкі жылу көзі ретінде тартқан микротолқынды сіңіру, бүкіл пешті немесе май ваннасын қыздырмай-ақ, мақсатты қосылыстарды қыздыруға мүмкіндік береді, бұл уақытты және энергияны үнемдейді. Сонымен қатар, бұл технология бейорганикалық химияға да пайдалы.

Таңдаулы жылыту

Гетерогенді жүйе (әр түрлі заттардан немесе әртүрлі фазалардан құралған) компоненттерінің жоғалу тангенстері ескерілгенде анизотропты болуы мүмкін. Осының салдарынан, микротолқынды өріс энергиясы жүйенің әртүрлі бөліктерінде әртүрлі деңгейде жылуға айналады деп күтуге болады. Бұл біртекті емес энергияның таралуы материалдың әртүрлі бөліктерін таңдап қыздыруға мүмкіндік береді және олардың арасында температура градиенттерінің пайда болуына әкелуі мүмкін. Дегенмен, басқалардан жоғары температураға ие аймақтардың (қызыл нүктелер деп аталады) пайда болуы жүйе домендері арасындағы жылу алмасу процестеріне бағынуы керек. Егер жүйе домендері арасындағы жылу өткізгіштігі жоғары болса, қызыл нүктелер ұзақ өмір сүрмейді, себебі компоненттер тез жылулық тепе-теңдікке жетеді. Жылу алмасу баяу жүйеде, сол қызған аймақта химиялық реакция жылдамдығын арттыратын тұрақты қызыл нүкте болуы мүмкін. Осыған байланысты, микротолқынды химияның көптеген алғашқы жұмыстары молекулалар ішіндегі белгілі бір молекулаларды немесе функционалдық топтарды қозу мүмкіндігін болжады. Алайда, мұндай құрылымдардан жылу энергиясының қайта бөліну уақыты микротолқын толқынының периодынан әлдеқайда қысқа, сондықтан мұндай "молекулалық қызыл нүктелердің" қалыпты зертхана жағдайында пайда болуына мүмкіндік жоқ. Осы мақсатты молекулалардағы сәулеленудің тудырған тербелістері көршілес молекулалармен соқтығысу арқылы бірден ауысып, сол сәтте жылулық тепе-теңдікке жетеді. Қатты фазалы процестер аздап өзгешеше жүзеге асырылады. Бұл жағдайда жылу алмасудың кедергісі әлдеқайда жоғары болады және қызыл нүктелердің тұрақты болу мүмкіндігін қарастыру қажет. Әдебиетте қызыл нүктелердің екі түрі арасындағы айырмашылық атап көрсетілген, бірақ көптеген мамандар бұл айырмашылықты маңызды деп санамайды. Макроскопиялық қызыл нүктелер оптикалық пирометрлер (оптикалық талшық немесе ИҚ) арқылы анықталатын және өлшенетін барлық ірі изотермиялық емес көлемдерді қамтиды деп есептеледі. Осылайша, микротолқынды сәулелену кезінде қатты фазалар ішіндегі жылулық біртектіліктерді визуализациялауға болады. Микроскопиялық қызыл нүктелер - микро немесе нано деңгейдегі (мысалы, катализатор ішіндегі металл нанобөлшектер) немесе молекулалық деңгейдегі (мысалы, катализатор құрылымындағы полярлық топ) изотермиялық емес аймақтар. Алайда, бұл айырмашылықтың маңыздылығы жоқ, себебі бірнеше газ фазасындағы катализдік реакциялардағы катализатор мінез-құлқына түсіндіру үшін ұсынылған микроскопиялық қызыл нүктелер post mortem және in situ әдістерімен расталған. Гетерогенді катализаторлардағы қызыл нүкте әсерін анықтауға қатысты бірқатар теориялық және тәжірибелік зерттеулер жарияланған. Синтетикалық химиядағы ерекше қолданыс - полярлы және полярлы емес еріткіштерден тұратын екілік жүйені микротолқынмен қыздырғанда әртүрлі температуралар алу. Фазалық ауыстыру реакциясында су фазасы 100 °C температураға жетеді, ал хлороформ фазасы 50 °C температураны сақтайды, сонымен қатар реактивтерді бір фазадан екіншісіне экстракциялауды қамтамасыз етеді. Микротолқынды химия, әсіресе құрғақ ортадағы реакцияларда тиімді.

Катализа

Микротолқынды қыздыруды гетерогенді катализ реакцияларына қолдану, қолдауға орналастырылған катализаторлардағы металдардың болуы және тұтанғыш еріткіштердің қатысуында доға пайда болу мүмкіндігіне байланысты кеңінен зерттелмеген. Дегенмен, бұл жағдай нанобөлшекті өлшемдегі металл катализаторларды қолданғанда ақталмайды.