月例卓話

マイクロ波化学を楽しもう！ 第二章――マイクロ波加熱による反応さまざま――
松村

竹子

＊

前節でマイクロ波化学の基本は電磁波の作用にてくる．電子レンジでの照射時間は短くてよい．

よることを述べた．この節では，日常の生活での（この実験は，理科の実験の指導者と一緒におこ様々なマイクロ波化学現象について具体的な例をなうのがよい！）あげてみる．

ドライアイス中でマイクロ波有機合成

前節で説明した，物質によるマイクロ波吸収の差を利用した実例を説明しよう！

有機化合物のマイクロ波合成で，徳島大学名誉教授の津嘉山先生はこのドライアイス法を用いてドライアイスとマイクロ波数々の有機合成物の合成法を開発，徳島産のスダ例えば，CO2 分子はマイクロ波を透過するので，チの皮からスダチチンというサプリの原料をマイ

固体のドライアイスは短時間（1 分程度）電子レクロ波抽出で大量抽出に導いた実績がある ．このンジの中に入れても，その形状は変わらず，重量方法ではマイクロ波照射時間を短くし，低温下で変化も示さない．

行うのがこつである．この後，マイクロ波抽出機

1）

は徳島工業技術研究所や高知県工業技術研究所でドライアイスを冷媒とする Ru(II) 錯体の迅速研究され，大型装置として市販されるまでになっ合成！ている．

このことを利用すると，電子レンジ中で還流ができる．筆者は，化学的に不活性で合成の際に長時間を要する白金族元素（Ru, Pd, Pt, Os, Ir）の錯体をマイクロ波で合成している．通常の還流合成に比べて著しく短時間に高収率で合成できる．
通常はマイクロ波反応装置で行うが，Ru(II) 錯体の還流合成をドライアイスの助けで電子レンジの中にビーカーを置いて合成することができる．
電子レンジ中での安全のため，大小 2 つのビー

図 1．還流管付き電子レンジカーを用意し，小ビーカーに RuCl3・3H2O と配位子ビピリジン (bipyridine) を入れる．溶媒としては誘電損率が高いエチレングリコールを用いる．

溶液反応を電子レンジ中で行うには色々工夫がビーカーを時計皿で蓋をする．外側のビーカーのいる．安全面からは図 1 に示すような煙突状の管

時計皿の上にドライアイスを置いて，電子レンジをつけて還流しながら反応を行わせる ．
2）のスウィッチを入れる．中側の小さいビーカー中では還流が起こり，次第に赤い Ru(bpy)3 が生じ
2＋

ミネルバライトラボ取締役＊

第 334 回京都化学者クラブ（平成 30 年 4 月 7 日）講演

Transactions of The Research Institute of
Oceanochemistry Vol. 32 No. 1, Apr., 201955

氷の中で水が沸騰！

定電話から番号に電話を掛けた．

水と同じ成分ながら氷もまたマイクロ波に対し部屋の中にあるはずの電話の着信音がならなて透明であるため，氷の中で水が沸騰するというい！

バスの時間が迫って来る？

どこだ？

ど珍現象が起こる．この現象を利用して医薬品の精こだ？

製などが行われている．

机の引き出しをがたがた！「あった！あった！」心当たりを探したが，見つからない！

携帯は引き出しの中に鎮座していた！

金属製の引き出しは電波をさえぎっていたのだ！
マイクロ波を通さない！
電周波数は？

金属はちなみに携帯電話の送700MHz~2.5GHz の範囲である．

マイクロ波吸収体の活用（SiC, C）
SiC はマイクロ波吸収がよく 800℃までの高温になる．ガラス細工のキルンの内側には SiC が張図 2．氷の塊中で水が蒸発する様子
写 真 は 氷 の 塊 中 で 水 が 蒸 発 す る 様 子 を し た も の．
2）（http://www.pueschner.com/） Selective
3D-Microwave Heating of Water within an Ice Cube

られている．キルン内部の温度が 800℃まで上がる，いろいろなガラス片を混ぜて，きれいなペンダントが 20 分ほどで完成する．

金属はマイクロ波を通さない！

同じように銀もマイクロ波を吸収し，昇温する金属が電磁波を反射することは電子レンジの実と柔らかくなる．このことを利用して銀細工が楽験で，確かめられる．電子レンジの中に 2 つのガしめる（銀蝋細工）．

ラス容器に同量の水を入れて片方の容器をアルミ箔でくるむ．そうして電子レンジのスウィッチを入れる．30 秒から 1 分マイクロ波を当てて，容器の中の水の温度を測る．アルミ箔でくるんだ方の水の温度は上がっていない．氷の温度も上がっていない．
＜実験＞ 電子レンジでどれが一番温まりやすいか？
1. コップの中の水
2. コップの中の氷
3. アルミホイルで包んだコップの中の水

図 4．ガラス細工用キルンと装飾ガラス
図 3．電子レンジでどれが一番温まりやすいか？

マイクロ波の吸収がよい例として固体物質の表

携帯電話はもうほとんどの人にとって，日常的から見ると，炭素（C）の吸収がよいことが分かる．

な道具として使われているが，通信はマイクロ波

炭素の π 結合による電子の自由な移動がマイク受信によって行われていることを認識している人

ロ波の吸収をよくしていると考えられる．実際には割合少ない．

誘電性が低く，マイクロ波を吸収しない高沸点溶

ある時，携帯電話を探そうといつもの通り，固媒中に入れてマイクロ波照射をして，高温にする

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海洋化学研究第 32巻第 1 号

平成 31 年 4 月

図5カーボンと一緒にマイクロ波加熱

図 6．マイクロ波でカーボンを灼熱

2 分間で 800℃に！

*+]
:
WPLQ
図 7．マイアナイトからエレクトロライトへことができる．図はデカン（bp174℃）に成形したエレクトロライトを水（H2O）に入れると水素たカーボンを入れてマイクロ波を照射した例であ（H2）が発生するので未来材料としての可能性をる．

有している ．
4）

炭素はまた，高温で還元作用を示す．固体マイマイクロ波照射で Ti コーティング

クロ波焼成の際に炭素を入れて反応させると還元反応と急速加熱の両方が生じるため効果的である．

窒化チタンは硬度が高いため，工具などへの筆者らは，炭素のマイクロ波吸収による温度上昇

コーティング材料として用いられるほか，金色をと炭素の還元作用を組み合わせて，Electrolyte

呈し審美性が高いため，アバットメントなどの歯（固体電解質）の生成を試みた．マイクロ波吸収科用材料への応用がなされている．

率が大きい炭素粒子は約 800℃で灼熱される．

窒化チタンコーティングを行うためには，通常，固 体 焼 結 用 マ イ ク ロ 波 照 射 装 置 を 用 い て，ス パ ッ タ リ ン グ な ど の 物 理 蒸 着 法， も し く はAlO3 と CaO からなるマイエナイトという固体をCVD などの化学的蒸着法が用いられる．これら粉状にして炭素粒と混ぜ，マイクロ波で加熱する．の方法では，蒸着を行うために系を一度高真空に炭素がマイクロ波を吸収して高温状態になり，加する必要があり，蒸着中のプロセス管理も煩雑で，えて炭素の還元力により，電子（e）がかご状のまた，これらの方法では，凹凸面に三次元的に一マイエナイトに取り込まれてエレクトロライト度に均一にコーティングを行うのは困難であった．

（固体電解質）を生成する．通常の電気炉によるマイクロ波窒化チタンコーティング法は，これら加熱では 1,300℃という高温で焼成する．炭素のの難点を解決できる優れた方法である．コーティ

効果で生成温度が 500℃下がったことになる．

ングを行いたい基材をチタン粉末に埋め込み，大このような固体における炭素の昇温効果と還元気中・10 分程度のマイクロ波処理を行うことで，作用は今後もその活用が期待される．更に生成し窒化チタンをコーティングが可能になる ．マイTransactions of The Research Institute of
Oceanochemistry Vol. 32 No. 1, Apr., 20195）

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有名なファラデー（Faraday）である．

サセプター

その後マクスウェル（Maxwell）によって，理チタン粉末論的な説明がなされ，物質の誘電性の原理的基礎になっている．数値的な理解は交流電場の理論に基づくため，やや難解である．ここでは電気化学的に親しみのある誘電率の数値で考える．
1837 年ファラデーは静電誘導と呼ばれる現象について実験を行っている．ファラデーの電磁波

基材の誘電率の測定法を図に示した．電気分解が示す
ように，電解質が液体の場合はそこに電流が生じるが，固体では絶縁体になってしまう．しかし，氷の表面を電極ではさみ，電地につなぐと電気は流れないものの氷の表面が帯電する．このように一般に絶縁体の表面に静電気が生じる現象を静電誘導という．ファラデーはこの原因を，絶縁体が

図 8．マイクロ波によるチタンコーティング

電気的な分極を起こし，それが連結するためと考え，絶縁体の入口と出口にあたる部分が帯電し，クロ波照射時間をコントロールすることで，膜厚誘電体となる．と考えた．ファラデーは図に示すを制御することができる．

ような実験装置を考え，誘電率を測定した．

滝沢教授（東北大学）のお話
当時の学生がチタン粉にマイクロ波を照射していたら「金ピカになる」との報告がありました．
（途中略）チタン粉が金ピカになるということは窒化反応が起きていることを意味しています．つまり空気中の窒素を優先的にチタン粉と反応させることができる，すなわち，窒素ボンベが無くても，空気さえあれば窒化反応ができることを意味しているのです！！

マイクロ波化学の特異性
図 9．Faraday が誘電測定に用いた装置
上下に + と−の電極があり，球の部分にはじめ空気を入れ，その後測定物質を入れて測定する．

このようにマイクロ波化学の仕組みは一般的な化学反応とは異なった道筋で進む．
マイクロ波誘電加熱という現象で，物質がマイクロ波電場の下でその誘電特性に変化が生じるた

現在では電場は周波数が加変な交流電場である

めで，誘電加熱と呼ばれている．

が，比誘電率の考えは，現在も，真空中の値に対微視的にみると，物質の誘電性が一部熱に代わして，求めており，考え方としては一致する．マるためで，誘電損失と呼ばれている．物質の誘電クスウェルによって電磁誘導は数式化され，現在的性質に最初に着目したのは，ろうそくの科学での電磁気学の基本となっているが，」ファラデー

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文献の考え方は基本として分かりやすい．
はじめ空気を対象とする誘電率が測定され，い1）http://www.pueschner.com/

ろいろな物質の誘電率が測定された．現在では真2）M. Tsukayama

空中の誘電率に対する物質の誘電率 εʼ が比誘電, 71, 1589

(2007)率とされている．

3）新居敏男，松村竹子，岡俊博，化学と教育 41，

物質の誘電性により電磁波の下で熱に変わるこ278（1993）とを誘電損失と呼び，交流の理論から複素誘電率4）Incorporation of Electrons in 12CaO・7Al2O3ε” が誘電損失を表す．マイクロ波加熱で重要な

Ceramics by Microwave Synthesis in H 2

誘電損失 ε” と比誘電率 εʼ の比を tanδ=ε”/εʼ としproduction,て表す．tanδ はマイクロ波の吸収の程度やマイ

Chemical Congress of Paciﬁc Basin Societies,

クロ波による誘電損失の大きさを示す．

H. Visbal, T. Matsumura, T. Mitani A.

マイクロ波電場のもとでの誘電損失について，

The 2015 International

Kajiwara, M. Kishi, K. Hirao

https://www.microdenshi.co.jp/microwave/ に水5）マイクロ波を用いた窒化チタンコーティングの場合を例にした分かり易い説明がなされている．

法．［アグネ技術センター

金属，83（8），(2013), 30‒35 滝澤博胤，福島潤］

この章のおわりに！

6）（a）光と電磁気̶ファラデーとマクスウエル

マイクロ波電場のもとでの誘電損失に少し話がが考えたこと，電場とは何か？磁場とは何難しくなってくるのでので，今回はこの辺で終わか？小山慶太著，（b）物理学を変えた二人りにします．マイクロ波化学のいろいろな事象をの男―ファラデー , マクスウェル , 場の発見

楽しんでください！

ナンシー・フォーブス（著），ベイジル・メ
イホン（著）米沢富美子（翻訳），米沢恵美（翻訳）7）https://www.microdenshi.co.jp/microwave

Transactions of The Research Institute ofOceanochemistry Vol. 32 No. 1, Apr., 201959