微波化学ppt课件市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

微微 波波 化化 学学Microwave Chemistry1第1页目录目录微波能介绍微波化学发展历程2第2页X-RaysUltravioletInfraredMicrowaves10-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-113x10123x10103x1083x1063x1043x102Frequency(MHz)Laser RadiationWave Length(meters)Molecular rotationsMolecularvibrations Outer-shell(valence)electronsInner-shellelectrons RadiowavesVisible 一一.微微 波波 能能 介介 绍绍3第3页 微波是频率大约在微波是频率大约在300 MHz 300 GHz。波长在波长在100 cm至至1 mm范围内电磁波范围内电磁波,位于红外辐射光谱和无线电波之间。位于红外辐射光谱和无线电波之间。惯用微波频率：惯用微波频率：2450 MHz 波长波长12.5 cm 4第4页微波与物质作用微波与物质作用:Materials that are transparent to microwaves e.g.sulphurMaterials that reflect microwavese.g.copperMaterials that absorb microwavese.g.water5第5页微波与物质作用微波与物质作用:与微波化学相关物质主要是吸与微波化学相关物质主要是吸收微波材料，收微波材料，按照这些材料被按照这些材料被加热机理加热机理，它们又可被分为：，它们又可被分为：1.Dipolar polarisation2.Conduction mechanism3.Interfacial polarisation上述作用都可使物质温度上述作用都可使物质温度快速升高快速升高热效应热效应6第6页Dipolar Polarisation(Dipole interactions)偶极作用偶极作用微波能电场增加时，电微波能电场增加时，电场使极性分子有一定取场使极性分子有一定取向，电场减弱时，重新向，电场减弱时，重新恢复热运动无序状态。恢复热运动无序状态。每秒内分子定向和热无每秒内分子定向和热无序状态改变序状态改变4.9 x 104.9 x 109 9 次，所以加热非常快。次，所以加热非常快。7第7页Conduction Mechanisms(Ionic conduction)离子传导离子传导在所加电磁场中在所加电磁场中,被被解离离子传导迁移。解离离子传导迁移。这种离子迁移电流这种离子迁移电流因为离子流电阻产因为离子流电阻产生热。生热。8第8页Interfacial Polarisation这可被看作是前述两种作用结合这可被看作是前述两种作用结合,对于对于非导体材料中散布有导体材料情况非导体材料中散布有导体材料情况（如（如硫中散布有金属颗粒情况），硫中散布有金属颗粒情况），这一机理这一机理是主要是主要：硫不吸收微波，不过金属粉末却是硫不吸收微波，不过金属粉末却是好微波吸收体，经过类似于偶极极化机好微波吸收体，经过类似于偶极极化机理而被加热。其环境（硫）则类似于极理而被加热。其环境（硫）则类似于极性分子溶剂，经过一个相当于极性溶剂性分子溶剂，经过一个相当于极性溶剂中粒子间作用力限制离子运动。这些限中粒子间作用力限制离子运动。这些限制力在振荡场作用下将使离子制力在振荡场作用下将使离子运动位相运动位相发生滞后发生滞后，进而造成离子随机运动而使，进而造成离子随机运动而使体系发烧。体系发烧。9第9页微波加热作用特点：微波加热作用特点：在不一样深度同时产生热，这在不一样深度同时产生热，这种种“体加热作用体加热作用”，不仅使加，不仅使加热更加快速，而且更均匀，从热更加快速，而且更均匀，从而大大缩短了处理材料所需时而大大缩短了处理材料所需时间，节省了宝贵能源，还可大间，节省了宝贵能源，还可大大改善加热质量，保持食品营大改善加热质量，保持食品营养成分，防止材料中有用（有养成分，防止材料中有用（有效）成分流失等。效）成分流失等。10第10页微波化学是依据电磁场和电磁微波化学是依据电磁场和电磁波理论、电介质物理理论、凝波理论、电介质物理理论、凝聚态物理理论、等离子物理理聚态物理理论、等离子物理理论、物质结构理论和化学原理，论、物质结构理论和化学原理，利用当代微波技术来研究物质利用当代微波技术来研究物质在微波场作用下物理和化学行在微波场作用下物理和化学行为一门科学为一门科学,是一门新兴交叉是一门新兴交叉性学科。性学科。二二.微波化学发展历程微波化学发展历程历程11第11页从历史上看，微波化学学科产生源从历史上看，微波化学学科产生源于微波等离子体化学研究。于微波等离子体化学研究。最早在最早在1952年，年，Broida等人采取形等人采取形成微波等离子体方法以发射光谱法成微波等离子体方法以发射光谱法测定了氢氘混合气体中氘同位素测定了氢氘混合气体中氘同位素含量。含量。以后，他们又将这一技术用于氮稳以后，他们又将这一技术用于氮稳定同位素分析，开创了微波等离子定同位素分析，开创了微波等离子体原子发射光谱分析新领域。体原子发射光谱分析新领域。微波等离子体化学-1952年历程12第12页微波等离子体用于合成化学则是微波等离子体用于合成化学则是60年代以后事，其中最成功实例年代以后事，其中最成功实例包含：包含：金刚石、多晶硅、氮化硼等超硬材料金刚石、多晶硅、氮化硼等超硬材料有机导电膜有机导电膜蓝色激光材料蓝色激光材料c-GaN单重激发态氧单重激发态氧O2合成合成高分子材料表面修饰高分子材料表面修饰微电子材料加工等微电子材料加工等 其中不少现已形成了产业。其中不少现已形成了产业。合成化学-上世纪60年代后历程13第13页1970年，年，Harwell使用微波装使用微波装置成功地处理了核废料。置成功地处理了核废料。核废料处理核废料处理历程14第14页在化学中直接利用微波能研究在化学中直接利用微波能研究也开始于分析化学。也开始于分析化学。1974年，年，Hesek等利用微波炉进行了样等利用微波炉进行了样品烘干。品烘干。样品烘干-1974年历程15第15页微波消解有些人用它作生物样品微波消解有些人用它作生物样品微波消解并取得了很大成功。现在这一技并取得了很大成功。现在这一技术己经商品化并作为标准方法被术己经商品化并作为标准方法被广泛用于分析样品预处理。广泛用于分析样品预处理。历程16第16页微彼技术用于有机合成化学始于微彼技术用于有机合成化学始于1986年，年，Gedye等首先发表了用微等首先发表了用微波炉来进行化学合成波炉来进行化学合成“烹饪试验烹饪试验”文章，以文章，以4-氯代苯基氧钠和苄氯代苯基氧钠和苄基氯反应来制备基氯反应来制备4-氯代苯基苄基氯代苯基苄基醚。醚。传统方法需耗时传统方法需耗时12h，产率为，产率为65；而采取微波加热方法仅而采取微波加热方法仅35s使能得使能得到相同产率化合物，其反应速率到相同产率化合物，其反应速率能够快能够快1000倍以上。倍以上。有机合成化学有机合成化学-1986-1986年年历程17第17页这一在微波沪中进行有机反应这一在微波沪中进行有机反应成功，造成在其后短短四五年成功，造成在其后短短四五年内，辐射化学领域中又增添了内，辐射化学领域中又增添了一门引人注日全新课题一门引人注日全新课题MORE化学化学(Microwave-Induced Organic Reaction Enhancement Chemistry)。今。今后微波技术在有机化合物几十后微波技术在有机化合物几十类合成反应中也都取得了很大类合成反应中也都取得了很大成功成功。历程18第18页微波技术在无机固相反应中应微波技术在无机固相反应中应用是近年来快速发展一个新领用是近年来快速发展一个新领域，现已广泛应用于域，现已广泛应用于陶瓷材料陶瓷材料(包含超导材科包含超导材科)烧结烧结固体快离子导体固体快离子导体超细纳米粉体材料超细纳米粉体材料沸石分子筛合成等沸石分子筛合成等无机固相反应无机固相反应-近年近年历程19第19页在催化领域，因为在催化领域，因为Al2O3,SiO2等无等无机载体不吸收微波，微波可直接机载体不吸收微波，微波可直接传送到负载于载体表面催化剂上传送到负载于载体表面催化剂上并使吸附其上羧基、水、有机物并使吸附其上羧基、水、有机物分子激话，从而加速化学反应进分子激话，从而加速化学反应进行。行。已研究过催化反应有已研究过催化反应有甲烷合成高级烃类甲烷合成高级烃类光合作用模拟光合作用模拟酸气污染物去除等酸气污染物去除等催化领域催化领域历程20第20页在分析化学、提取化学方面，在分析化学、提取化学方面，用微波进行了样品溶解。用微波进行了样品溶解。在蛋白质水解方面，采取微波在蛋白质水解方面，采取微波技术建立了一个快速、高效新技术建立了一个快速、高效新方法。方法。在大环、超分子、高分子化学在大环、超分子、高分子化学方面，开展了采取微波法制备方面，开展了采取微波法制备一些聚合物研究工作。一些聚合物研究工作。历程21第21页另外，微波技术在采油、炼油、另外，微波技术在采油、炼油、冶金、环境污染物治理等方面冶金、环境污染物治理等方面也都取得了很多进展。也都取得了很多进展。能够看出，微波技术在化学中能够看出，微波技术在化学中应用己几乎遍布化学学科每一应用己几乎遍布化学学科每一个分支领域。个分支领域。微波化学实际上已成为化学学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科中一个十分活跃而富有创新结果新兴分支学科。结果新兴分支学科。历程22第22页http:/ 微波化学加速度发展微波化学加速度发展:2.53.0万微波化学家万微波化学家/全球全球23第23页M.Taylor,et al.Development in Microwave Chemistry,Evalueserve,专利:30多年总共94项授权专利(分析68项/最近;合成48项/最近6年)24第24页