Спроси профессора о науке, химии и вообще...

Где мы сталкиваемся с микроволновой химией?

Опять на кухне в микроволновой печке! Микроволновая химия изучает химические превращения с участием твердых диэлектриков и жидкостей, при воздействии энергии микроволнового поля (МВП) или, что тоже самое, поля, то есть сверхвысокочастотного (СВЧ)-излучения.

Было обнаружено, что МВП способно в десятки и сотни раз ускорять многие химические реакции, вызывать быстрый объемный нагрев жидких и твердых образцов, эффективно (быстро и полностью) удалять влагу из твердых, в том числе и высокопористых препаратов, регенерирования различных сорбентов (например, активированного угля и цеолитов.).

МВП может взаимодействовать с веществами, находящимися в газообразном, жидком или твердом состоянии. На анализе взаимодействия МВП с молекулами основана широко используемая в научно-исследовательской практике радиочастотная спектроскопия, позволяющая получать информацию о свойствах молекул.

Микроволновая аппаратура позволяет ускорять скорость экстракции (очень важно в поточных анализах, при контроле качества и т.д.) на порядки, что сокращает время некоторых анализов с дней до десятков минут. То же касается и пробоподготовки образцов для анализа – сегодня на рынке микроволновых установок для этих целей лидируют фирмы CEM (США), Milestone (Италия) и Prolabo (Франция). Помимо установок для растворения проб эти фирмы выпускают муфельные микроволновые печи для озоления образцов, нагревательные установки, совмещающие вакуумную откачку с СВЧ-сушкой, микроволновые модули для синтеза органических соединений и получения сверхчистых кислот.

Воздействие МВП может приводить к деструкции молекул и появлению в облучаемом образце повышенной концентрации свободных радикалов – очень реакционноспособных частиц. Это позволяет в некоторых случаях проводить с использованием МВ-облучения химические реакции, начало которых обусловлено появлением (обычно в жидкой среде) этих радикалов. Так как такие реакции осуществить без МВ-облучения вообще не удается, то их протекание под действием МВ-излучения иногда называют микроволновым катализом.

В быту широко используются микроволновые печи при приготовлении пищи. Микроволновая печь есть просто другое средство нагрева пищи, но нагревающее не посуду, как любой обычный способ нагрева, а непосредственно то, что хочется погреть. Это энергетически более эффективно, а иногда ещё и существенно удобнее/выгоднее обычного нагрева. Нагрев пищи происходит посредством диэлектрического нагрева, то есть переноса энергии между микроволновым полем и низкомолекулярными полярными составляющими образца, обычно – молекулами воды. Полярные молекулы пытаются повернуться таким образом, чтобы вектор их собственного дипольного момента был сонаправлен вектору электрической составляющей микроволнового поля. Если поле осциллирует быстрее, чем молекулы физически (за счёт трения и т.д.) могут повернуться, то происходит перенос энергии между осциллирующим полем и не поспевающими за этим полем молекулярными диполями. Перенос энергии идёт на вращательные и колебательные уровни молекул, то есть приводит к эффективному нагреву полярной среды. Все коммерческие микроволновые печи работают на одной и той же частоте – 2,45 ГГц. Эта частота была жёстко зафиксирована специальным международным соглашением в незапамятные времена – дабы микроволновые печи не «фонили» в диапазонах, используемых в телекоммуникационных системах. Микроволновую печь сложно экранировать – она сильно шумит на своей частоте и в её окрестностях, поэтому микроволновкам раз и навсегда выделили одну частоту, на которой с тех пор никто больше ничего не делает.

Издается журнал «Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy», в котором публикуют работы, отражающие новые результаты использования МВП, в частности в химии. Всего в различных журналах мира ежегодно публикуется более 100 научных сообщений, посвященных этому вопросу, в США и других странах ежегодно проводятся конференции по проблемам микроволновой химии. Можно почитать: Бердоносов С.С. Микроволновая химия // Соросовский образовательный журнал. 2001. Т.7. № 1. С. 32-38.