Микротолқынды химия – химиялық реакцияларды жылдамдату үшін микротолқындарды қолдану ғылымы. Бұл әдіс молекулаларды қыздыру арқылы реакцияларды тиімді етуге көмектеседі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
Microwave chemistry is the science of applying microwave radiation to chemical reactions. Microwaves act as high frequency electric fields and will generally heat any material containing mobile electric charges, such as polar molecules in a solvent or conducting ions in a solid. Polar solvents are heated as their component molecules are forced to rotate with the field and lose energy in collisions. Semiconducting and conducting samples heat when ions or electrons within them form an electric current and energy is lost due to the electrical resistance of the material. Microwave heating in the laboratory began to gain wide acceptance following papers in 1986, although the use of microwave heating in chemical modification can be traced back to the 1950s. Although occasionally known by such acronyms as MAOS (microwave assisted organic synthesis), MEC (microwave enhanced chemistry) or MORE synthesis (microwave organic reaction enhancement), these acronyms have had little acceptance outside a small number of groups.
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.
Conventional heating usually involves the use of a furnace or oil bath, which heats the walls of the reactor by convection or conduction. The core of the sample takes much longer to achieve the target temperature, e. g. when heating a large sample of ceramic bricks. Acting as internal heat source, microwave absorption is able to heat the target compounds without heating the entire furnace or oil bath, which saves time and energy. and to inorganic chemistry.
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.
A heterogeneous system (comprising different substances or different phases) may be anisotropic if the loss tangents of the components are considered. As a result, it can be expected that the microwave field energy will be converted to heat by different amounts in different parts of the system. This inhomogeneous energy dissipation means selective heating of different parts of the material is possible, and may lead to temperature gradients between them. Nevertheless, the presence of zones with a higher temperature than others (called hot spots) must be subjected to the heat transfer processes between domains. Where the rate of heat conduction is high between system domains, hot spots would have no long term existence as the components rapidly reach thermal equilibrium. In a system where the heat transfer is slow, it would be possible to have the presence of a steady state hot spot that may enhance the rate of the chemical reaction within that hot zone. On this basis, many early papers in microwave chemistry postulated the possibility of exciting specific molecules, or functional groups within molecules. However, the time within which thermal energy is repartitioned from such moieties is much shorter than the period of a microwave wave, thus precluding the presence of such 'molecular hot spots' under ordinary laboratory conditions. The oscillations produced by the radiation in these target molecules would be instantaneously transferred by collisions with the adjacent molecules, reaching at the same moment the thermal equilibrium. Processes with solid phases behave somewhat differently. In this case much higher heat transfer resistances are involved, and the possibility of the stationary presence of hot spots should be contemplated. A differentiation between two kinds of hot spots has been noted in the literature, although the distinction is considered by many to be arbitrary. Macroscopic hot spots were considered to comprise all large non isothermal volumes that can be detected and measured by use of optical pyrometers (optical fibre or IR). By these means it is possible to visualise thermal inhomogeneities within solid phases under microwave irradiation. Microscopic hot spots are non isothermal regions that exist at the micro or nanoscale (e. g. supported metal nanoparticles inside a catalyst pellet) or in the molecular scale (e. g. a polar group on a catalyst structure). The distinction has no serious significance, however, as microscopic hotspots such as those proposed to explain catalyst behaviour in several gas phase catalytic reactions have been demonstrated by post mortem methods and in situ methods. Some theoretical and experimental approaches have been published towards the clarification of the hot spot effect in heterogeneous catalysts. A different specific application in synthetic chemistry is in the microwave heating of a binary system comprising a polar solvent and a non polar solvent obtain different temperatures. Applied in a phase transfer reaction a water phase reaches a temperature of 100 °C while a chloroform phase would retain a temperature of 50 °C, providing the extraction as well of the reactants from one phase to the other. Microwave chemistry is particularly effective in dry media reactions.
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.
Application of microwave heating to heterogeneous catalysis reactions has not been explored intensively due to presence of metals in supported catalysts and possibility of arcing phenomena in the presence of flammable solvents. However, this scenario becomes unlikely using nanoparticle sized metal catalysts.