1
微 波 化 学
Microwave Chemistry
2
目录
微波能介绍
微波化学的发展历程
3
X-Rays Ultraviolet Infrared Microwaves
10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1
3x1012 3x1010 3x108 3x106 3x104 3x102
Frequency (MHz)
Laser Radiation
Wave Length (meters)
Molecular rotations
Molecular
vibrations
Outer-shell
(valence)
electrons
Inner-shell
electrons
Radiowaves
Vi
sibl
e
一,微 波 能 介 绍
4
● 微波是频率大约在 300 MHz ~300 GHz。
● 波长在 100 cm至 1 mm范围内的电磁波,
位于红外辐射光谱和无线电波之间。
● 常用微波频率,2450 MHz
波长 12.5 cm
Anal,Chem,ZSU.
5
微波与物质的作用,
Materials that are transparent
to microwaves
– e.g,sulphur
Materials that reflect
microwaves
– e.g,copper
Materials that absorb
microwaves
– e.g,water
6
微波与物质的作用,
与微波化学有关的物质主要是吸收微波的材料,按照这些材料被加热的机理,它们又可被分为：
1,Dipolar polarisation
2,Conduction mechanism
3,Interfacial polarisation
上述作用都可使物质的温度快速升高 —— 热效应
7
Dipolar Polarisation
(Dipole interactions) 偶极作用微波能的电场增加时，
电场使极性分子有一定取向，电场减弱时，重新恢复热运动的无序状态。每秒内分子的定向和热无序状态变化 4.9
x 109 次，因此加热非常快。
Conduction Mechanisms
(Ionic conduction) 离子传导在所加电磁场中,被解离的离子的传导迁移。这种离子迁移电流由于离子流电阻产生热。
9
Interfacial Polarisation
这可被看作是前述两种作用的结合,对于非导体材料中散布有导体材料的情况
（如硫中散布有金属颗粒的情况）,这一机理是主要的,
硫不吸收微波，但是金属粉末却是好的微波吸收体，通过类似于偶极极化的机理而被加热。其环境（硫）则类似于极性分子的溶剂，通过一种相当于极性溶剂中的粒子间作用力限制离子的运动。这些限制力在振荡场的作用下将使离子的 运动位相发生滞后,进而导致离子的随机运动而使体系发热。
10
微波加热作用的特点：
在不同深度同时产生热，这种
“体加热作用”，不仅使加热更快速，而且更均匀，从而大大缩短了处理材料所需的时间，
节省了宝贵的能源，还可大大改善加热的质量，保持食品的营养成分，防止材料中有用
（有效）成分的流失等。
11
微波化学是根据电磁场和电磁波理论、电介质物理理论、凝聚态物理理论、等离子物理理论、物质结构理论和化学原理，
利用现代微波技术来研究物质在微波场作用下的物理和化学行为的一门科学,是一门新兴的交叉性学科。
二,微波化学的发展历程 历程
12
从历史上看，微波化学学科的产生源于微波等离子体化学的研究。
最早在 1952年,Broida等人采用形成微波等离子体的办法以发射光谱法测定了氢－氘混合气体中氘同位素的含量。
后来，他们又将这一技术用于氮的稳定同位素的分析，开创了微波等离子体原子发射光谱分析的新领域。
微波等离子体化学 ---1952年 历程
13
微波等离子体用于合成化学则是
60年代以后的事，其中最成功的实例包括：
– 金刚石、多晶硅、氮化硼等超硬材料
– 有机导电膜
– 蓝色激光材料 c-GaN
– 单重激发态氧 O2的合成
– 高分子材料的表面修饰
– 微电子材料的加工等其中不少现已形成了产业。
合成化学 ---上世纪 60年代后 历程
14
1970年,Harwell使用微波装置成功地处理了核废料。
核废料处理 历程
15
在化学中直接利用微波能的研究也开始于分析化学。 1974年，
Hesek等利用微波炉进行了样品烘干。
样品烘干 ----1974年 历程
16
微波消解有人用它作生物样品的微波消解并取得了很大成功。现在这一技术己经商品化并作为标准方法被广泛用于分析样品的预处理。
历程
17
微彼技术用于有机合成化学始于
1986年,Gedye等首先发表了用微波炉来进行化学合成的“烹饪实验”文章，以 4-氯代苯基氧钠和苄基氯反应来制备 4-氯代苯基苄基醚。
传统的方法需耗时 12h，产率为 65
％；而采用微波加热方法仅 35s使能得到相同产率的化合物，其反应速率可以快 1000倍以上。
有机合成化学 ---1986年 历程
18
这一在微波沪中进行的有机反应的成功，导致在其后的短短四五年内，辐射化学领域中又增添了一门引人注日的全新课题 —— MORE化学
(Microwave-Induced Organic
Reaction Enhancement
Chemistry)。此后微波技术在有机化合物的几十类合成反应中也都取得了很大成功 。
历程
19
微波技术在无机固相反应中的应用是近年来迅速发展的一个新领域，现已广泛应用于
– 陶瓷材料 (包括超导材科 )的烧结
– 固体快离子导体
– 超细纳米粉体材料
– 沸石分子筛的合成等无机固相反应 ---近年历程
20
在催化领域，由于 Al2O3,SiO2等无机载体不吸收微波，微波可直接传送到负载于载体表面的催化剂上并使吸附其上的羧基、水、
有机物分子激话，从而加速化学反应的进行。
已研究过的催化反应有
– 甲烷合成高级烃类
– 光合作用的模拟
– 酸气污染物的去除等催化领域 历程
21
在分析化学、提取化学方面，
用微波进行了样品溶解。
在蛋白质水解方面，采用微波技术建立了一种快速、高效的新方法。
在大环、超分子、高分子化学方面，开展了采用微波法制备一些聚合物的研究工作。
历程
22
此外，微波技术在采油、炼油、
冶金、环境污染物治理等方面也都取得了很多进展。
可以看出，微波技术在化学中的应用己几乎遍及化学学科的每一个分支领域。
微波化学实际上已成为化学学科中一个十分活跃而富有创新成果的新兴分支学科。
历程
23http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/109799813/HTMLSTART
微波化学加速度发展,
2.5~3.0万微波化学家 /全球
24M,Taylor,et al,Development in Microwave Chemistry,Evalueserve,2005
专利,30多年总共 94项授权专利
(分析 68项 /最近 20年 ;合成 48项 /最近 6年 )
微 波 化 学
Microwave Chemistry
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目录
微波能介绍
微波化学的发展历程
3
X-Rays Ultraviolet Infrared Microwaves
10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1
3x1012 3x1010 3x108 3x106 3x104 3x102
Frequency (MHz)
Laser Radiation
Wave Length (meters)
Molecular rotations
Molecular
vibrations
Outer-shell
(valence)
electrons
Inner-shell
electrons
Radiowaves
Vi
sibl
e
一,微 波 能 介 绍
4
● 微波是频率大约在 300 MHz ~300 GHz。
● 波长在 100 cm至 1 mm范围内的电磁波,
位于红外辐射光谱和无线电波之间。
● 常用微波频率,2450 MHz
波长 12.5 cm
Anal,Chem,ZSU.
5
微波与物质的作用,
Materials that are transparent
to microwaves
– e.g,sulphur
Materials that reflect
microwaves
– e.g,copper
Materials that absorb
microwaves
– e.g,water
6
微波与物质的作用,
与微波化学有关的物质主要是吸收微波的材料,按照这些材料被加热的机理,它们又可被分为：
1,Dipolar polarisation
2,Conduction mechanism
3,Interfacial polarisation
上述作用都可使物质的温度快速升高 —— 热效应
7
Dipolar Polarisation
(Dipole interactions) 偶极作用微波能的电场增加时，
电场使极性分子有一定取向，电场减弱时，重新恢复热运动的无序状态。每秒内分子的定向和热无序状态变化 4.9
x 109 次，因此加热非常快。
Conduction Mechanisms
(Ionic conduction) 离子传导在所加电磁场中,被解离的离子的传导迁移。这种离子迁移电流由于离子流电阻产生热。
9
Interfacial Polarisation
这可被看作是前述两种作用的结合,对于非导体材料中散布有导体材料的情况
（如硫中散布有金属颗粒的情况）,这一机理是主要的,
硫不吸收微波，但是金属粉末却是好的微波吸收体，通过类似于偶极极化的机理而被加热。其环境（硫）则类似于极性分子的溶剂，通过一种相当于极性溶剂中的粒子间作用力限制离子的运动。这些限制力在振荡场的作用下将使离子的 运动位相发生滞后,进而导致离子的随机运动而使体系发热。
10
微波加热作用的特点：
在不同深度同时产生热，这种
“体加热作用”，不仅使加热更快速，而且更均匀，从而大大缩短了处理材料所需的时间，
节省了宝贵的能源，还可大大改善加热的质量，保持食品的营养成分，防止材料中有用
（有效）成分的流失等。
11
微波化学是根据电磁场和电磁波理论、电介质物理理论、凝聚态物理理论、等离子物理理论、物质结构理论和化学原理，
利用现代微波技术来研究物质在微波场作用下的物理和化学行为的一门科学,是一门新兴的交叉性学科。
二,微波化学的发展历程 历程
12
从历史上看，微波化学学科的产生源于微波等离子体化学的研究。
最早在 1952年,Broida等人采用形成微波等离子体的办法以发射光谱法测定了氢－氘混合气体中氘同位素的含量。
后来，他们又将这一技术用于氮的稳定同位素的分析，开创了微波等离子体原子发射光谱分析的新领域。
微波等离子体化学 ---1952年 历程
13
微波等离子体用于合成化学则是
60年代以后的事，其中最成功的实例包括：
– 金刚石、多晶硅、氮化硼等超硬材料
– 有机导电膜
– 蓝色激光材料 c-GaN
– 单重激发态氧 O2的合成
– 高分子材料的表面修饰
– 微电子材料的加工等其中不少现已形成了产业。
合成化学 ---上世纪 60年代后 历程
14
1970年,Harwell使用微波装置成功地处理了核废料。
核废料处理 历程
15
在化学中直接利用微波能的研究也开始于分析化学。 1974年，
Hesek等利用微波炉进行了样品烘干。
样品烘干 ----1974年 历程
16
微波消解有人用它作生物样品的微波消解并取得了很大成功。现在这一技术己经商品化并作为标准方法被广泛用于分析样品的预处理。
历程
17
微彼技术用于有机合成化学始于
1986年,Gedye等首先发表了用微波炉来进行化学合成的“烹饪实验”文章，以 4-氯代苯基氧钠和苄基氯反应来制备 4-氯代苯基苄基醚。
传统的方法需耗时 12h，产率为 65
％；而采用微波加热方法仅 35s使能得到相同产率的化合物，其反应速率可以快 1000倍以上。
有机合成化学 ---1986年 历程
18
这一在微波沪中进行的有机反应的成功，导致在其后的短短四五年内，辐射化学领域中又增添了一门引人注日的全新课题 —— MORE化学
(Microwave-Induced Organic
Reaction Enhancement
Chemistry)。此后微波技术在有机化合物的几十类合成反应中也都取得了很大成功 。
历程
19
微波技术在无机固相反应中的应用是近年来迅速发展的一个新领域，现已广泛应用于
– 陶瓷材料 (包括超导材科 )的烧结
– 固体快离子导体
– 超细纳米粉体材料
– 沸石分子筛的合成等无机固相反应 ---近年历程
20
在催化领域，由于 Al2O3,SiO2等无机载体不吸收微波，微波可直接传送到负载于载体表面的催化剂上并使吸附其上的羧基、水、
有机物分子激话，从而加速化学反应的进行。
已研究过的催化反应有
– 甲烷合成高级烃类
– 光合作用的模拟
– 酸气污染物的去除等催化领域 历程
21
在分析化学、提取化学方面，
用微波进行了样品溶解。
在蛋白质水解方面，采用微波技术建立了一种快速、高效的新方法。
在大环、超分子、高分子化学方面，开展了采用微波法制备一些聚合物的研究工作。
历程
22
此外，微波技术在采油、炼油、
冶金、环境污染物治理等方面也都取得了很多进展。
可以看出，微波技术在化学中的应用己几乎遍及化学学科的每一个分支领域。
微波化学实际上已成为化学学科中一个十分活跃而富有创新成果的新兴分支学科。
历程
23http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/109799813/HTMLSTART
微波化学加速度发展,
2.5~3.0万微波化学家 /全球
24M,Taylor,et al,Development in Microwave Chemistry,Evalueserve,2005
专利,30多年总共 94项授权专利
(分析 68项 /最近 20年 ;合成 48项 /最近 6年 )
