VI SÓNG VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA NÓ

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 Hz = cycles/s là chu kỳ của trường điện từ trong một giây

Sự tồn tại của sóng điện từ, trong đó vi ba là một phần của phổ tần số cao, được James Clerk Maxwell dự đoán năm 1864 từ các phương trình Maxwell nổi tiếng Năm 1888, Heinrich Hertz đã chế tạo được thiết bị phát sóng radio, nhờ vậy lần đầu tiên chứng minh sự tồn tại của sóng điện từ Năm 1894, J C Bose công khai chứng minh kiểm soát đài phát thanh bằng cách sử dụng các bước sóng mm và tiến hành nghiên cứu sự lan truyền của sóng viba

Năm 1943, kỹ sư Hungary, Zoltán Bay gửi sóng vô tuyến cực ngắn đến mặt trăng, từ đó

nó làm việc như một radar và có thể được sử dụng để đo khoảng cách, cũng như để nghiên cứu mặt trăng

Vi sóng được phát hiện ra một cách rất tình cờ Năm 1946, trong lúc làm thí nghiệm với nguồn phát từ trường của thiết bị RADAR, T.S Percy Spencer, kỹ sư của công ty Raytheon Corporation, đã phá hiện ra rằng thanh chocolate ở trong túi của ông đã bị chảy ra Lập lại thí nghiệm nhiều lần trên các nguyên liệu khác nhau như rau quả, trứng, kẹo đều chỉ ra rằng: vi sóng là nguồn cung cấp nhiệt rất hiệu quả Sự khám phá này khẳng định tính chất đun nóng của

vi sóng rất tốt, từ đó dẫn đến sự ra đời của lò vi sóng vào năm 1947 cho công nghiệp và cho gia đình vào năm 1954

Có lẽ việc sử dụng đầu tiên của từ lò vi sóng trong một bối cảnh thiên văn xảy ra vào năm

1946 trong một bài viết "Lò vi sóng bức xạ từ mặt trời và mặt trăng" của Robert Dicke và Robert Beringer

Vậy vi sóng là gì ? Và ứng dụng của nó như thế nào? Chúng ta cùng tìm hiểu cơ bản về

vi sóng và nghiên cứu ứng dụng của nó trong hóa học, y học, truyền thông v.v…

II TỔNG QUAN VỀ VI SÓNG:

II.1 Định nghĩa:

Vi sóng (hay vi ba / sóng ngắn) là sóng điện từ có bước sóng dài hơn tia hồng ngoại, nhưng ngắn hơn sóng radio (có bước sóng từ 1mm đến 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 (Hz = cycles/s) là chu kỳ của trường điện từ trong một giây nằm giữa 300MHz và 30GHz

 Độ dài sóng λ (cm) là đọan đường đi của vi sóng trong một chu kỳ, liên hệ với tần số theo công thức:

Vi sóng nằm trong phổ điện từ ở giữa vùng hồng ngoại và sóng vô tuyến Chúng có bước sóng nằm ở giữa 0.01 và 1m và nó thường hoạt động có hiệu quả trong phạm vi giữa 0.3 và 30 GHz Tuy nhiên, chúng ta sử dụng trong phòng thí nghiệm thường ở mức 2.45 GHz

Hình 1: Những dải tần số vi sóng theo Hội vô tuyến điện Anh

Trong khi những bước sóng thấp hơn (dải L) được sử dụng với mục đích truyền tin, những bước sóng cao hơn (dải W) trong quang phổ được sử dụng cho phân tích kỹ thuật như quang phổ học Phương tiện sóng Radar hoạt động hiệu quả tại bước sóng thấp hơn (0.01 - 0.25m) được sử dụng trong thông tin liên lạc

Hình 2: Mô tả về vi sóng

II.2 Tính chất của vi sóng:

Vi sóng có đặc trưng là có thể xuyên qua được không khí, gốm sứ, thủy tinh, polymer và phản xạ bề mặt các kim lọai Độ xuyên thấu tỷ lệ nghịch với tần số, khi tần số tăng lên thì độ xuyên thấu của vi sóng giảm Đối với một vật chất có độ ẩm 50% với tần số 2450 MHz có độ xuyên thấu là 10 cm

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

Hình 3: Sự lan truyền của vi sóng

II.3 Năng lượng của vi sóng:

Năng lượng của vi sóng được phát ra từ một nguồn phát sóng điện từ Vi sóng gồm hai thành phần: điện trường E và từ trường B Hai thành phần này thẳng góc với nhau và cùng thẳng góc với phương truyền Năng lượng của vi sóng rất yếu, không quá 10-6 eV (trong khi năng lượng của một nối cộng hóa trị là 5eV), do đó bức xạ của vi sóng không phải là một bức xạ ion hóa

Hình 4: Năng lượng của vi sóng

đổi cơ cấu của một hợp chất hữu cơ và cũng không gây nên một phản ứng hóa học

II.4 Nguồn gốc tác động và cơ chế của vi sóng:

II.4.1 Nguồn gốc tác động của vi sóng:

Cơ sở của hiện tượng phát nhiệt do vi sóng là sự tương tác giữa điện trường và các phân

tử phân cực bên trong vật chất Trong điện trường này sẽ gây ra một sự xáo động ma sát rất lớn giữa các phân tử, đó chính là nguồn gốc nóng lên của vật chất

Đối với những dung môi thì chỉ có dung môi nào có phân tử phân cực thì mới có khả năng hấp thu vi sóng, những phân tử không phân cực thì trơ với vi sóng Dưới tác dụng của

vi sóng, các phân tử phân cực bị đun nóng gây nên sự tỏa nhiệt khối 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 đặc biệt vào hệ thống tinh thể hoặc sự chênh lệch về mặt tỷ lượng gây ra tính chất phân cực của chất rắn

II.4.2 Cơ chế tác động của vi sóng:

Vi sóng cung cấp một kiểu đun nóng mới không như sự truyền nhiệt thông thường Với kiểu đun nóng bình thường, sức nóng đi từ bề mặt của vật chất lần vào trong, còn trong trường hợp sử dụng vi sóng, vi sóng xuyên thấu vật chất và làm nóng vật chất ngay từ bên trong Vi sóng tăng họat chọn lọc những phân tử phân cực, đặc biệt là nước Nước bị đun nóng

do hấp thu vi sóng, bốc hơi tạo áp suất rất cao tại nơi bị tác dụng, đẩy nước đi từ tâm của vật đun ra đến bề mặt của nó Hiện tượng làm nóng vật chất của vi sóng: một số phân tử ví dụ như nước phân chia điện tích trong phân tử một cách bất đối xứng Như vậy các phân tử này

là những lưỡng cực có tính định hướng trong chiều của điện trường Dưới tác động của điện trường một chiều các phân tử lưỡng cực có khuynh hướng sắp xếp theo điện trường này Nếu điện trường này là điện trường xoay chiều , sự định hướng của các lưỡng cực sẽ thay đổi theo chiều xoay của điện trường đó Quá trình chuyển hóa năng lượng điện từ thành năng lượng nhiệt thông qua hai cơ chế:

 Cơ chế quay cực phân tử

 Cơ chế dẫn ion

a) Cơ chế quay cực phân tử:

Cơ chế này xảy ra đối với những hợp chất không phân ly thành ion trong dung dịch Các hợp chất này, khi được đặt vào một điện trường, phần điện trường sẽ tạo nên sự phân cực điện tích trong chúng và hình thành các lưỡng cực Khi điện trường đảo chiều, các phân tử lưỡng cực có khuynh hướng sắp xếp lại theo chiều của điện trường Nếu sự đảo chiều của điện trường xảy ra chậm, các phân tử lưỡng cực kịp thời đáp ứng một cách hoàn hảo, hợp chất

không hấp thu năng lượng của điện trường Nếu sự đảo chiều xảy ra quá nhanh, các lưỡng cực đứng yên không kịp quay, kết quả là hợp chất cũng không hấp thu năng lượng Tuy nhiên trong vùng vi sóng, các lưỡng cực có thời gian để sắp xếp lại theo sự đảo chiều của điện trường nhưng sự tái sắp xếp ấy không kịp thời với sự đảo chiều gây nên sự lệch pha giữa hướng của điện trường và các phân tử lưỡng cực Sự lệch pha này tạo nên sự hao hụt điện môi và làm nóng vật chất

Hình 5: Cơ chế quay cực phân tử

Dưới sự hiện diện của điện trường các moment lưỡng cực sẽ quay và sắp xếp một cách thẳng hàng Các phân tử chuyển động mạnh va chạm nhau nên có thể làm nhiệt độ tăng

10oC/s Sự chuyển từ phân bố đẳng hướng sang phân bố bất đẳng hướng dưới tác dụng của điện trường tĩnh được cho bởi hàm Lagevin

Hình 6: Hàm Lagevin

 Sự hao hụt điện môi:

Ta có biểu thức liên quan giữa các hằng số điện môi:

 = ’ – j ’’

 Khi tần số của vi sóng thấp hơn tần số phục hồi của hợp chất, sự hao hụt điện môi thay đổi nghịch biến với nhiệt độ

 Khi tần số của vi sóng cao hơn tần số phục hồi của hợp chất, sự hao hụt điện môi thay đổi đồng biến với nhiệt độ

 Khi tần số của vi sóng xấp xỉ tần số phục hồi của hợp chất, sự hao hụt điện môi biến thiên qua một cực trị

 Chất có sự hao hụt điện môi càng lớn thì khả năng hấp thu nhiệt bởi vi sóng càng cao

b) 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, tỉ lệ va chạm sẽ tăng lên, chính sự ma sát giữa chúng đã phát sinh nhiệt làm dung dịch nóng lên, dung môi không phân cực thì vi sóng không hoạt động

Vì vậy, sự hao hụt điện môi chịu thêm ảnh hưởng của độ dẫn ion, đặc trưng qua biểu thức:

  : thời gian phục hồi của hợp chất (s)

 Sự phân loại dung môi:

Chọn dung môi phù hợp với điều kiện vi sóng Khả năng hấp thu năng lượng vi sóng hoặc chuyển năng lượng hấp thụ thành nhiệt được biểu hiện qua tan δ:

tan δ = ε”/ε’

 ε” : phần ảo của hằng số điện môi đặc trưng cho sự hao hụt điện môi hay khả năng hấp thụ năng lượng của hợp chất

 ε’ : phần thực của điện môi đặc trưng cho khả năng phân cực của điện trường lên hợp chất

 Giá trị tan δ càng cao thì khả năng hấp thụ năng lượng vi sóng càng cao

Do đó dung môi được phân thành 3 loại:

 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, 2-butanol, aceton,

acid acetic…

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

Bảng 1: Một số dung môi có hằng số điện môi ở nhiệt độ phòng

 Ảnh hưởng của sự nung quá nhiệt:

Sự kết hợp của nhiệt và tần số vi sóng là nguyên nhân tăng tan δ làm tăng vận tốc nhiệt trong quá trình cung cấp nhiệt vi sóng khi “đun mầm tinh thể” Sự quá nhiệt làm tăng điểm sôi lên 26oC:

Hình 7: Ảnh hưởng của việc nung quá nhiệt

Giai đoạn đầu của quá trình cung cấp nhiệt, so sánh sự truyền năng lượng vi sóng với sự truyền nhiệt của quá trình cung cấp nhiệt thông thường thấy rằng sự tạo thành mầm tinh thể giảm dẫn đến sự nung quá nhiệt

Hình 8: Đường biểu diễn nhiệt độ của quá trình cung cấp nhiệt bằng vi sóng trong phản ứng alkyl hóa acetonitrile (81 - 82 o C) với xúc tác là paladium trong bình thủy tinh

 ∆G: năng lượng hoạt hóa

 A: mô tả sự chuyển động phân tử, dựa vào tần số dao động phân tử Vi sóng làm

tăng sự chuyển động của phân tử , cũng có thể ảnh hưởng tới A

Phản ứng imidization của acid ployamid

Quá trình đun nóng bình thường 105 ± 14 24 ± 4

Ta nhận thấy vận tốc phản ứng tăng có thể giải thích bởi sự tăng A

 Cơ chế ảnh hưởng của vi sóng:

Bảng 2: Hiệu suất so sánh giữa phản ứng thông thường và có vi sóng

Ví dụ: phản ứng đóng vòng nhiệt tạo oxazolidin có thể đạt được hiệu suất cao sau

40 - 60 giây của thời gian phản ứng tại 200 W

Thời gian (phút)

Hiệu suất (%)

Bảng 4: So sánh hiệu suất dưới cách thức gia nhiệt của phản ứng thông thường

và có vi sóng

Trong phương trình Arrhenius tốc độ phản ứng (K = Ae-Ea/RT), tốc độ phản ứng không thay đổi phụ thuộc vào hai yếu tố: sự va chạm thông thường giữa những phân tử có hình dạng chính xác cho một phản ứng để xảy ra (A) và phần nhỏ của những phân tử đó với năng

lượng nhỏ nhất cần để vượt qua mức năng lượng hoạt hóa (e-Ea/RT) Nó sẽ trở nên quan trọng

để lưu ý rằng vi sóng cũng không ảnh hưởng sự định hướng va chạm cũng như năng lượng hoạt hóa giữ nguyên không thay đổi cho mỗi phản ứng riêng biệt tuy nhiên, năng lượng vi sóng tác động đến thông số nhiệt độ trong phương trình này Sự tăng nhiệt độ làm tăng những dao động của phân tử, dẫn đến một số lượng lớn những va chạm mạnh Những va chạm mạnh này nhanh hơn khi có năng lượng vi sóng Đối với những phản ứng có tốc độ chạm, năng lượng hoạt hóa cao rất cần đến vi sóng

 Vi ba được dùng trong thông tin vệ tinh vì vi ba dễ dàng truyền qua khí quyển trái đất, ít

bị nhiễu so với các bước sóng dài hơn Ngoài ra, trong phổ vi ba còn nhiều băng thông hơn phần còn lại của phổ radio

 Vi ba cũng được dùng rộng rãi trong thông tin vô tuyến chuyển tiếp đến nỗi từ vi ba thực

tế đồng nghĩa với vô tuyến chuyển tiếp (thường gọi "liên lạc vi ba", "tuyến vi ba", "trạm

vi ba" ) mặc dù có một số thiết bị vô tuyến chuyển tiếp hoạt động trong dải tần số 410 -

470 MHz (thuộc băng tần số cực cao UHF)

 Radar cũng dùng bức xạ vi ba để phát hiện khoảng cách, tốc độ và các đặc trưng khác của những đối tượng ở xa, như ô-tô và các phương tiện giao thông

 Các giao thức mạng không dây (wireless LAN) như bluetooth và các chuẩn IEEE 802.11g và 802.11b dùng vi ba trong dải 2,4 GHz (thuộc băng tần ISM, tức băng tần công nghiệp, khoa học và y tế), còn chuẩn 802.11a dùng băng tần ISM dải 5,8 GHz Nhiều nước (trừ Hoa Kỳ) cấp phép cho dịch vụ truy cập internet không dây tầm xa (đến

 Maser là thiết bị tương tự laser, chỉ khác là hoạt động trên tần số vi ba

III.1 Ứng dụng của vi sóng trong hóa hữu cơ:

Sự nung nóng của vi sóng đã trở thành phương pháp tiêu chuẩn cho sự hòa tan acid và được sử dụng trong hàng ngàn phòng thí nghiệm trên toàn thế giới Đầu năm 1975, đã có báo cáo về tỷ lệ tăng lên phản ứng hòa tan acid mẫu nóng lên với vi sóng trong một cốc mở Sau

hộp kín Trong nghiên cứu sơ bộ thấy rằng vi sóng làm giảm đáng kể trong thời gian phản ứng và trong một số trường hợp thì phản ứng sạch hơn do đó quan sát dễ dàng hơn khi sử dụng phương pháp đun nóng thông thường Những phát hiện này đã kích thích việc nghiên cứu

vi sóng làm nóng bởi các nhà hóa học hữu cơ khác, cả trong học thuật và công nghiệp

Để minh họa cho tiềm năng khoa học của một công cụ đã được sử dụng trong nước, chúng tôi tìm cách chứng minh tổng quát và lợi thế của nhiệt vi sóng bằng cách thực hiện một loạt các phản ứng hóa học hữu cơ Mười phản ứng nghiên cứu được liệt kê dưới đây Bằng cách tối ưu điều kiện phản ứng thông thường chúng ta thấy rằng nhiều phản ứng đã được biết cần phải có thời gian dài đun nóng đã được biến đổi nhanh chóng

Một số phản ứng được nghiên cứu trong bài này:

III.1.2 Sự sắp xếp ortho – Claisen:

Ba phản ứng chuyển vị quan trọng là sắp xếp lại nhóm thế của 1,5 - hexadien, sự sắp

xếp Claisen của một etre vinyl allyl và sự sắp xếp lại các ortho- Claisen của một eter aryl allyl

Các phản ứng này, cùng với các phản ứng Diels – Alder và phản ứng ene là đại diện của những phản ứng pericyclic

Sóng vi ba được sinh ra từ nguồn magnetron, được dẫn theo ống dẫn sóng, vào ngăn nấu rồi phản xạ qua lại giữa các bức tường của ngăn nấu và bị hấp thụ bởi thức ăn Sóng vi ba trong

lò vi ba là các dao động của trường điện từ với tần số thường ở 2450 MHz (bước sóng cỡ 12,24 cm) Các phân tử thức ăn (nước, chất béo, đường và các chất hữu cơ khác) thường ở dạng lưỡng cực điện (có một đầu tích điện âm và đầu kia tích điện dương) Những lưỡng cực điện này có xu hướng quay sao cho nằm song song với chiều điện trường ngoài Khi điện trường dao động, các phân tử bị quay nhanh qua lại Dao động quay được chuyển hóa thành chuyển động nhiệt hỗn loạn qua va chạm phân tử, làm nóng thức ăn

Vi sóng ở tần số 2450 MHz làm nóng hiệu quả nước lỏng, nhưng không hiệu quả với chất béo, đường và nước đá Việc làm nóng này đôi khi bị nhầm với cộng hưởng với dao động riêng của nước, tuy nhiên thực tế cộng hưởng xảy ra ở tần số cao hơn, ở khoảng vài chục GHz Các phân tử thủy tinh, một số loại nhựa hay giấy cũng khó bị hâm nóng bởi vi sóng ở tần số 2450 MHz Nhờ đó, thức ăn có thể được đựng trong vật dụng bằng các vật liệu trên trong lò vi sóng,

 Tiết kiệm năng lượng

 Giảm thời gian nấu

 Thực phẩm giữ được nhiều chất dinh dưỡng và hương vị nguyên thủy