微波加熱效應(yīng)及其特性

前言

微波在化學(xué)反應(yīng)過程中的功效愈來愈引起人們的關(guān)注，并已將微波用于化學(xué)的更多領(lǐng)域。微波具有比激光低得多的能級，卻能在相同的溫度甚至更低的溫度下，產(chǎn)生比常規(guī)方法高幾倍甚至幾十倍的效率。對這種高效率，學(xué)術(shù)界的觀點是不同的，至今尚沒有一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撃芎芎玫亟忉屛⒉ǚ磻?yīng)的機理，這無疑制約著微波化學(xué)的發(fā)展。

為了合理解釋在微波輔助的化學(xué)反應(yīng)中觀察到的速率提高現(xiàn)象，人們可以設(shè)想出三種可能：熱效應(yīng)（熱/動力學(xué)）；特殊微波效應(yīng)；非熱微波效應(yīng)。

本篇文章介紹了微波加熱效應(yīng)的特點及表征。

熱效應(yīng)

化學(xué)反應(yīng)速度的提高得益于單純的熱/動力學(xué)效應(yīng)，也就是在微波場內(nèi)照射極性物質(zhì)時，可以迅速達到很高的反應(yīng)溫度。

特殊微波效應(yīng)

特殊微波效應(yīng)本質(zhì)上仍屬于熱效應(yīng)。微波照射下的溶劑沸騰時的整體溫度取決于很多因素，如溶劑的物理性質(zhì)、反應(yīng)器的形狀、物料的流動、熱流動以及電場分布。

應(yīng)該強調(diào)指出，實際上可以通過加入沸石或攪拌的方法，以消除過熱現(xiàn)象。微波加熱時，由于能量分散在整個液體內(nèi)部，器壁表面基本沒有受熱，因此反應(yīng)器壁內(nèi)表面的溫度要低于大部分液體的溫度。

而傳統(tǒng)加熱試驗中，溫度敏感物質(zhì)，如催化劑可能在熱的反應(yīng)器表面發(fā)生分解，而消除反應(yīng)器表面的高溫，能延長催化劑的壽命。

因此，微波加熱反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率高于傳統(tǒng)加熱方法。微波介質(zhì)加熱的另一個特征是整體加熱，即微波可以迅速、均勻地加熱整個反應(yīng)化合物。

微波照射不可能選擇性地“活化”一個較大分子中的極性官能團（所謂天線基團）。

化學(xué)家總結(jié)出如下化學(xué)意義：

這種天線基團可能發(fā)生定域旋轉(zhuǎn)從而對含有此類官能團的分子進行微波介質(zhì)加熱，可能使這些基團發(fā)生的反應(yīng)速率加快。但是，介電加熱過程伴隨著能量由這類基團向鄰近分子的快速傳遞，因此不可能將能量儲存在分子中的特殊部位。

非熱微波效應(yīng)

基本上大多數(shù)非熱效應(yīng)都源自電場與反應(yīng)介質(zhì)中特殊分子的直接相互作用。但對“由于電場的存在引起了偶極分子的定效效應(yīng)，從而改變了阿倫尼烏斯方程的指前因子A 或活化能（熵條件）”的觀點一直存在爭議。而且，在極性反應(yīng)中也能觀察到類似效應(yīng)，因為在極性反應(yīng)中從基態(tài)到過渡態(tài)的極性增大，通過降低活化能增強了反應(yīng)效應(yīng)。

國外學(xué)者通過兩個不可逆加成反應(yīng)觀察到，常規(guī)加熱法和微波加熱法沒有差異。與傳統(tǒng)加熱方法相比，在許多例子中，微波照射會引起選擇性（化學(xué)的、區(qū)域的和立體的選擇性）變化。許多國內(nèi)外學(xué)者通過微波輔助化工過程的研究，提高了這些合成過程的轉(zhuǎn)化率。

但是，更多研究者認(rèn)為，微波加熱的能級較小，不能激發(fā)分子進入高能級，微波加熱化學(xué)反應(yīng)的實驗和檢測手段也不夠完善，所測定的動力學(xué)數(shù)據(jù)沒有在傳統(tǒng)加熱反應(yīng)中那么精確，所謂特殊微波效應(yīng)是由檢測的系統(tǒng)誤差造成的，微波加熱僅是一種加熱方法，不存在特殊或非熱效應(yīng)。但此觀點難以解釋一些微波介入的化學(xué)反應(yīng)中的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)變化現(xiàn)象，特別是難以解釋微波介入后一些反應(yīng)產(chǎn)物的光學(xué)異構(gòu)體組成有所改變的現(xiàn)象。

微波對化學(xué)反應(yīng)的影響，除致熱效應(yīng)外，還應(yīng)有非致熱效應(yīng)，理論上講，微波不僅可以加快化學(xué)反應(yīng)，而且在一定條件下可以抑制化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。微波加速/減緩化學(xué)反應(yīng)的機理是非常復(fù)雜的，從這個角度來看，非致熱效應(yīng)的影響將使微波化學(xué)更具特色，有著深遠(yuǎn)的意義。所以，探索微波的致熱效應(yīng)與非致熱效應(yīng)的對立統(tǒng)一關(guān)系是一個很有意義的研究方向，也是微波化學(xué)領(lǐng)域中一個亟待解決的問題。

   根據(jù)正確的反應(yīng)機理及影響因子，可以制造出專用的微波化學(xué)反應(yīng)設(shè)備。因此，在實際應(yīng)用中尋找加快化學(xué)反應(yīng)的最佳電磁波條件是非常必要的，這對于將微波更好地應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)中具有十分重要的意義。