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河北祥鹄科学仪器有限公司

微波加热效应及其特性

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【摘要】:
前言微波在化学反应过程中的功效愈来愈引起人们的关注,并已将微波用于化学的更多领域。微波具有比激光低得多的能级,却能在相同的温度甚至更低的温度下,产生比常规方法高几倍甚至几十倍的效率。对这种高效率,学术界的观点是不同的,至今尚没有一个严谨的理论能很好地解释微波反应的机理,这无疑制约着微波化学的发展。为了合理解释在微波辅助的化学反应中观察到的速率提高现象,人们可以设想出三种可能:热效应(热/动力学);
前言

微波在化学反应过程中的功效愈来愈引起人们的关注,并已将微波用于化学的更多领域。微波具有比激光低得多的能级,却能在相同的温度甚至更低的温度下,产生比常规方法高几倍甚至几十倍的效率。对这种高效率,学术界的观点是不同的,至今尚没有一个严谨的理论能很好地解释微波反应的机理,这无疑制约着微波化学的发展。

 

为了合理解释在微波辅助的化学反应中观察到的速率提高现象,人们可以设想出三种可能:热效应(热/动力学);特殊微波效应;非热微波效应。

本篇文章介绍了微波加热效应的特点及表征。

 

热效应

 

化学反应速度的提高得益于单纯的热/动力学效应,也就是在微波场内照射极性物质时,可以迅速达到很高的反应温度。

 

特殊微波效应

 

特殊微波效应本质上仍属于热效应。微波照射下的溶剂沸腾时的整体温度取决于很多因素,如溶剂的物理性质、反应器的形状、物料的流动、热流动以及电场分布。

应该强调指出,实际上可以通过加入沸石或搅拌的方法,以消除过热现象。微波加热时,由于能量分散在整个液体内部,器壁表面基本没有受热,因此反应器壁内表面的温度要低于大部分液体的温度。

而传统加热试验中,温度敏感物质,如催化剂可能在热的反应器表面发生分解,而消除反应器表面的高温,能延长催化剂的寿命。

因此,微波加热反应的转化率高于传统加热方法。微波介质加热的另一个特征是整体加热,即微波可以迅速、均匀地加热整个反应化合物。

微波照射不可能选择性地“活化”一个较大分子中的极性官能团(所谓天线基团)。

 

化学家总结出如下化学意义:

这种天线基团可能发生定域旋转从而对含有此类官能团的分子进行微波介质加热,可能使这些基团发生的反应速率加快。但是,介电加热过程伴随着能量由这类基团向邻近分子的快速传递,因此不可能将能量储存在分子中的特殊部位。
 

非热微波效应

 

基本上大多数非热效应都源自电场与反应介质中特殊分子的直接相互作用。但对“由于电场的存在引起了偶极分子的定效效应,从而改变了阿伦尼乌斯方程的指前因子A 或活化能(熵条件)”的观点一直存在争议。而且,在极性反应中也能观察到类似效应,因为在极性反应中从基态到过渡态的极性增大,通过降低活化能增强了反应效应。

 

国外学者通过两个不可逆加成反应观察到,常规加热法和微波加热法没有差异。与传统加热方法相比,在许多例子中,微波照射会引起选择性(化学的、区域的和立体的选择性)变化。许多国内外学者通过微波辅助化工过程的研究,提高了这些合成过程的转化率。

 

但是,更多研究者认为,微波加热的能级较小,不能激发分子进入高能级,微波加热化学反应的实验和检测手段也不够完善,所测定的动力学数据没有在传统加热反应中那么精确,所谓特殊微波效应是由检测的系统误差造成的,微波加热仅是一种加热方法,不存在特殊或非热效应。但此观点难以解释一些微波介入的化学反应中的产物结构变化现象,特别是难以解释微波介入后一些反应产物的光学异构体组成有所改变的现象。

 

微波对化学反应的影响,除致热效应外,还应有非致热效应,理论上讲,微波不仅可以加快化学反应,而且在一定条件下可以抑制化学反应的发生。微波加速/减缓化学反应的机理是非常复杂的,从这个角度来看,非致热效应的影响将使微波化学更具特色,有着深远的意义。所以,探索微波的致热效应与非致热效应的对立统一关系是一个很有意义的研究方向,也是微波化学领域中一个亟待解决的问题。

 

   根据正确的反应机理及影响因子,可以制造出专用的微波化学反应设备。因此,在实际应用中寻找加快化学反应的最佳电磁波条件是非常必要的,这对于将微波更好地应用于化学工业中具有十分重要的意义。

 

 
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