đại cương và ứng dụng của vi sóng trong hóa học

ĐẠI CƯƠNG VỀ VI SÓNG
 Là sóng điện từ

Bước sóng dài hơn tia hồng ngoại nhưng ngắn hơn sóng radio (1mm-1m)
 Bản chất của vi sóng là sóng điện từ lan truyền với vận tốc ánh sáng.
 Sóng điện từ này đặc trưng bởi:
• Tần số f tính bằng Hertz.
• Vận tốc ánh sáng c.
• Độ dài sóng λ với công thức: λ= c/f

7/17/19

1


Vi sóng nằm trong phổ điện từ ở giữa vùng hồng ngoại và sóng vô tuyến.
 Chúng hoạt động có hiệu quả trong phạm vi giữa 0.3 và 30 GHz.
 Tuy nhiên, chỉ sử dụng ở phòng thí nghiệm thường là mức 2.45 GHz.

Những dải tần số vi sóng

7/17/19

L

1-2 GHz

S

2-4 GHz

C

4-8 GHz

X

8-12 GHz

Ku

12-18 GHz

K

18-26 GHz

Ka

26-40 GHz

Q

30-50 GHz

U

40-60 GHz

V

46-56 GHz

2


Hình ảnh mô tả về vi sóng

7/17/19

3


Tính chất của vi sóng:

 Phản xạ bề mặt các kim loại
 Có thể xuyên qua được không khí,
gốm sứ, thủy tinh, polymer

 Độ xuyên thấu tỷ lệ nghịch với tần
số.

 Ngoài ra, có thể lan truyền trong chân
không, trong điều kiện áp suất cao…

Sự lan truyền của vi sóng

7/17/19

4

Năng lượng của vi sóng:

 Vi sóng gồm hai thành phần: điện trường E và từ trường B.
 Năng lượng của vi sóng rất yếu, không quá 10-6 eV
 Không đủ mạnh để cắt đứt các nối hóa học.

7/17/19

5


Nguồn gốc tác động của
vi sóng

 Sự tương tác giữa điện trường và các phân tử phân cực bên trong vật chất

sự

chuyển dịch có định hướng phân tử này gây ra “ma sát”.
sự tăng nhiệt độ

 Với chất lỏng, sự gia tăng nhiệt độ này xảy ra rất nhanh và gắn liền với tính phân cực.
 Với chất rắn, sự gia tăng nhiệt độ phụ thuộc hệ thống tinh thể hoặc sự chênh lệch về
mặt tỷ lượng gây ra tính chất phân cực của chất rắn.

7/17/19

6

Cơ chế tác động của vi sóng

Vi sóng tăng hoạt chọn lọc những phân tử
phân cực.

 Quá trình chuyển hóa năng lượng điện từ thành năng lượng nhiệt thông
qua 2 cơ chế:

• Cơ chế quay cực phân tử.
• Cơ chế dẫn ion.
7/17/19

7


Cơ chế quay cực phân tử

 Xảy ra đối với những hợp chất không phân
ly thành ion trong dung dịch.

 Khi lưỡng cực định hướng lại để sắp xếp
theo trường thì trường đã thay đổi và tạo ra sự
lệch pha giữa hướng của điện trường và các
phân tử lưỡng cực.
sự hao hụt điện môi làm và nóng vật chất.

7/17/19

8

Sự hao hụt điện môi

ε = ε’ – j.ε’’

 ε: hằng số điện môi của hợp chất -đại lượng đặc trưng cho khả năng bị phân cực bởi
điện trường của hợp chất.

 ε’: phần thực của hằng số điện môi-đặc trưng cho khả năng bị phân cực của điện
trường lên hợp chất.

 ε’’: phần ảo của hằng số điện môi, đặc trưng cho sự hao hụt điện môi hay khả năng
hấp thu năng lượng vi sóng của hợp chất.
2
J = -1

7/17/19

9


Cơ chế dẫn ion

 Áp dụng cho ion trong dung dịch, các ion sẽ di chuyển trong các dung môi dưới
ảnh hưởng của điện trường => ma sát làm dung dịch nóng lên.

 Sự hao hụt điện môi chịu thêm ảnh hưởng của độ dẫn ion.
2

2 2
ε ’’ = ω τ . ( ε s – n )/( 1+ ω τ ) + σ/ω

7/17/19

10


Sự phân loại dung môi

 Khả năng hấp thu năng lượng vi sóng hoặc chuyển năng lượng hấp thụ thành
nhiệt 
được biểu hiện qua tanδ

tan δ = ε"/ ε'

 Tan δ càng cao thì khả năng hấp thụ năng lượng vi
sóng càng cao

7/17/19

11


Phân loại dung môi

 Dung môi hấp thu mạnh năng lượng vi sóng: MeOH, EtOH, etilen glycol,
1-propanol, DMSO…

 Dung môi hấp thu trung bình năng lượng vi sóng: H2O, 1-butanol, 2butanol, aceton, acid acetic…

 Dung môi hấp thu yếu năng lượng vi sóng: cloroform, THF, piridin, eter,
pentan…

7/17/19

12


Ứng dụng của vi sóng trong hoá hữu cơ

 Vi sóng đóng vai trò như một nguồn cung cấp nhiệt cho các phản ứng.
 Cho kết quả tốt hơn đối với các phản ứng gia nhiệt cổ điển về thời gian và
hiệu suất

7/17/19

13


Phản ứng Diels-alder
C6H5

C6H5
EtO2C

CO2Et

CO2Et

CO2Et
C6H5

C6H5

7/17/19

Thường

Vi sóng

Dung môi

DMF

DMF

Nhiệt độ phản ứng

o
153 C

o
194 – 198 C

Hiệu suất

67%

58%

Thời gian phản ứng

6h

20 phút

14


Phản ứng ene

Thường

Vi sóng

Dung môi

DMF

DMF

Nhiệt độ phản ứng

o
153 C

Hiệu suất

14%

49%

Thời gian phản ứng

40h

20 phút

7/17/19

o
179 – 184 C

15


Phản ứng chuyển đổi rượu thành alkyl bromur
Br

OH
NaBr
H2SO4
Thường

Vi sóng

Dung môi

Nước

Nước

Nhiệt độ phản ứng

o
118 C

o
137 – 140 C

Hiệu suất

33%

49%

Thời gian phản ứng

30 phút

10 phút

7/17/19

16


Phản ứng oxi hóa
O

OH
MnO2

H

Thường

Vi sóng

Dung môi

Dietyl ete

Dietyl ete

Nhiệt độ phản ứng

o
36 C

o
104 C

Hiệu suất

20%

58%

Thời gian phản ứng

8h

7 phút

7/17/19

17


Phản ứng ester hóa
COOCH3
H2SO4

Thường

Vi sóng

Dung môi

DMF

DMF

Nhiệt độ phản ứng

o
153 C

Hiệu suất

58%

73%

Thời gian phản ứng

4 ngày

8h

7/17/19

o
196 – 198 C

18


Ứng dụng của vi sóng trong các lĩnh vực khác

Nấu ăn bằng lò vi ba
 Chiết nitrat trong rau
 Phát hiện trái cây chín
 Trong vật lý trị liệu
 Trong vô tuyến chuyển tiếp

7/17/19

19


Nấu ăn bằng lò vi ba

Lò vi ba có các bộ phận chính:

− Magnetron (nguồn phát sóng).
− Mạch điện tử điều khiển.
− Ống dẫn sóng.
− Ngăn nấu.

7/17/19

20


Mô hình lò vi ba
7/17/19

21


Nguyên tắc:

Sóng vi ba:

nguồn magnetron -> ngăn nấu -> phản xạ -> bị thức ăn

hấp thu

 Ngăn nấu: lồng Faraday gồm kim loại hay lưới kim loại
 Tác dụng: hiệu quả với nước lỏng, không hiệu quả với chất béo, đường
và nước đá

7/17/19

22


Chiết nitrat trong rau

 Nitrat là một ion độc có trong rau quả, hàm lượng lớn gây ảnh hưởng đến sức khỏe.
 Các phương pháp chiết nitrat: trắc quang, sắc ký, cực phổ, vi sóng …
 Ưu điểm khi dùng vi sóng:
• Thời gian chiết nhanh
• Dịch chiết không có màu
• Hiệu suất cao
• Dễ sử dụng
7/17/19

23


Phát hiện trái cây chín

Hình ảnh về trái cây chín nhờ quét ảnh vi sóng
7/17/19

24

Phát hiện trái cây chín

 Mục đích: đo lượng nước trong trái cây
 Nguyên tắc: quét ảnh vi sóng, xác định

xác định thời gian thu hoạch

độ chín của trái cây thông qua màu sắc

 Ưu điểm: an toàn ở liều thấp, dễ dàng xuyên qua nhiều dạng vật chất nhưng
bị chặn bởi nước

7/17/19

25