微波技术在化学中的应用有机化学邵振（中科院常州研究院，江苏常州 213164）摘要：介绍了微波技术的发展，微波定义和微波的产生，加热原理以及在化学中加热作用，越来越多的化学反应中有微波的参与，它已经广泛应用在各种物质的加热、干燥,以及医疗、杀菌和测量等方面,并开始出现微波化学的新领域，用微波进行萃取，对化学梵音加热提供能量使反应速率变快。

关键字：微波；电磁波；热效应；化学；萃取The Microwave Technology in Chemistry ApplicationsSHAO Zhen(Organic of School of Petrochemical Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164,Chian)Abstract:Describes the development of microwave technology, the definition and microwave microwave generation, and heating the heating principle role in chemistry, an increasing number of chemical reactions in the microwave participation, it has been widely used in various substances heated, dried, and medical, sterilization and measurement, and began a new field of microwave chemistry, microwave extraction, providing energy for heating Fine chemical reaction rate becomes faster.Keywords: thermal effects ；microwave ；electromagnetic waves； chemical ；extraction 微波是无线电波中一个有限频带的简称，其频率为0.3GHz~300GHz的电磁波，即波长是在1mm~1m之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。

微波的频率比一般的无线电波频率要高，因此也被称之为“超高频电磁波”。

微波有穿透、反射、吸收三个的基本的特性。

对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是完全穿越而不被吸收。

对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。

而对金属类东西，则会将微波反射。

微波技术的应用是从雷达开始的,至今已有几十年的历史。

直到二十世纪六十年代初,研制出了高功率电子管后才把它用于工业生产中。

目前,它已经广泛应用在各种物质的加热、干燥,以及医疗、杀菌和测量等方面,并开始出现微波化学的新领域,微波还能在化学合成、分析化学、陶瓷烧结、新材料合成、橡胶工业、皮革行业、造纸生产、香料萃取、塑料工业等化工化学领域得到广泛的应用。

国内的微波在化学化工各个方面的研究和应用还不是很一致，技术水平也是层次不齐，在某些领域还是比较落后的。

近年来微波技术发展很快，并得到越来越多的重视，微波化学在相关产业中的应用可以降低能源的消耗、改良产物的性质、减少环境污染等特点，因此被誉为“绿色化学”，有着巨大的发展前景。

此外，微波在金属有机化合物、热分解反应和环境保护等方面也都取得了很大进展，可以看出，微波化学实际上已成为化学学科中一个十分活跃、富有创新成果的新的分支学科。

1 微波的产生微波的产生通常是由直流电或50Hz交流电通过一特殊的器件来产生的。

可以产生微波的器件有许多种，主要分为两大类：电真空器件和半导体器件。

电真空器件是利用电子在真空中运动来完成能量变换的器件，或称之为电子管。

在电真空器件中能产生大功率微波能量的有磁控管、微波三、四极管、多腔速调管、行波管等。

在微波加热领域特别是工业应用中使用的主要是磁控管及速调管。

2 热效应微波的热效应是指由微波引起的系统内的物受热而对物质内部粒子能量的传递。

热效应主要是生物体内有极分子在微波高频电场的作用下反复快速取向转动而产生的摩擦生热；内部的离子在微波作用下振动也会将振动能量转化为热量；一般的分子会吸收微波产生的能量后使热运动能量增加。

如果生物体组织吸收的微波能量较少，它可借助自身热量调节系统通过血液循环将吸收的微波能量(热量)散发至全身或体外。

如果微波功率很强，生物组织吸收的微波能量多于生物体所能散发的能量，则引起该部位体温升高。

局部组织温度升高将产生一系列生理反应，如使局部血管扩张，并通过热调节系统使血循环加速，组织代谢增强，白细胞吞噬作用增强，促进病理产物的吸收和消散等3 微波加热的应用正是因为微波是频率在300MHz到300GHz的电磁波，被加热物质中水分子前面说了是极性分子。

水分子在快速变化高频磁场（微波）作用下，水分子的极性取向就会随着外电场的变化产生变化。

造成水分子的自旋运动，这时就会将微波的场能或者是内能转化为物质的热能，使物料温度升高，将物质加热，一系列的变化过程从而达到微波加热和对物质进行干燥的目的。

3.1 选择性加热物质吸收微波的能力，主要取决于物质的损耗因数。

物质的损耗因数越大，物质对微波的吸收能力就越强，相反，物质损耗因数越小，物质吸收微波的能力也就弱。

由于各物质的损耗因数的不同，微波加热就表现出选择性加热的特点。

不同的物质，在微波中加热时产生的热效果也不同。

大家都知道水分子是属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波的吸收能力很强。

而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。

因此，对于食品来说，含水量多少对微波加热效果影响很大。

3.2 微波加热与化学在化学化工中，利用微波加热可以显著的改变化学反应速率。

之所以,国内外从有机合成到无机合成,从液相反应到固体反应,从室温合成到高温高压合成,从聚合反应到解聚反应等都可以用到微波装置进行加热的例子。

微波化学合成装置产业在今天也已经形成了一定的规模。

以实验微波化学的研究和应用微波化学的研究为主的研究还处在初级起步阶段。

对于微波化学中的化学反应机理的相关研究还没有达到比较好的效果和完善的体系。

很多微波化学研究设备是用家用微波炉改造变为实验装置,设备相对简单,对微波辐射强度和微波辐射中温度监控手段相对比较落后,而且还不很好控制。

这就使实验的重复性和可靠性受到了影响,在一定程度上阻碍了微波化的发展。

正是因为微波加热在有机合成能够显著提高反应速率,因此微波有机合成很快发展起来。

对于微波辐射下的液相有机合成反应,选择合适的溶剂作为微波传递介质是关键。

极性溶剂如乙酸、丙酮、乙酸丁酯、低碳醇等吸收微波的能力比较强,在微波场中可以很快加热,可用作反应溶剂;环己烷、乙醚、苯等非极性溶剂则不能直接吸收微波能,但若加入少量极性溶剂可提高其吸收微波的能力,也可作为反应溶剂;有些反应物本身就可作为反应溶剂。

在微波场中进行氧化、重排、缩合等液相有机合成反应,往往能收到加快速度、提高转化率的效果。

用微波炉进行酯化反应,与传统回流的方法相比较,速率一般可提高几十甚至上百倍。

4 微波萃取利用微波能来提高萃取率的技术现在在不断的成熟和发展。

它的原理是在微波场中，根据吸收微波能力的差异使得基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热，从而使得被萃取物质从基体或体系中分离，进入到介电常数较小、微波吸收能力相对差的萃取剂中；微波萃取具有设备简单、萃取效率高、适用范围广、重现性好、节省试剂、节省时间、污染小等特点。

不仅可以用于环境样品预处理，还可以用于生化、食品、工业分析和天然产物提取等领域。

天然产物的提取主要是应用于重要有效成分的提取。

微波萃取的机理有一下三点：一，微波辐射是高频电磁波穿透萃取介质达到物料内部的微管束和腺胞系统的过程。

由于吸收了微波能，细胞内部的温度上升，使细胞内部的压力超过细胞壁膨胀所能承受的能力，结果细胞破裂，细胞内部的有效成分自然流出，在较低的温度下溶解于萃取介质中。

通过进一步的过滤和分离，获得所需的萃取物。

二，微波所产生的电磁场可加速被萃取组分的分子由固体内部向固液界面扩散的速率。

例如，以水作溶剂时，在微波场的作用下，水分子由高速转动状态转变为激发态，这是一种高能量不稳定态。

此时水分子汽化以加强萃取组分的驱动力，或者释放出自身多余的能量回到基态，所释放出的能量将传递给其他物质的分子，以加速其热运动，从而缩短萃取组分的分子由固体内部扩散至固液界面的时间，这就将萃取速率提高数倍，并降低萃取温度，最大限度地保证萃取物的质量。

三，微波的频率与分子转动的频率相关连，因此微波能是一种由离子迁移和偶极子转动而引起分子运动的非离子化辐射能，当它作用于分子时，可促进分子的转动运动，若分子具有一定的极性，即可在微波场的作用下产生瞬时极化，并且以极快的速度作极性变换运动，从而产生键的振动、撕裂和粒子间的摩擦和碰撞，并迅速生成大量的热能，促使细胞破裂，使细胞液溢出并扩散至溶剂中。

在微波萃取中，吸收微能力的差异可使基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热，从而使被萃取物质从基体或体系中分离，进入到具有较小介电常数、微波吸收能力相对较差的萃取溶剂中。

5 微波杀菌微波杀菌作用是利用了电磁场的热效应和生物效应的共同作用结果。

微波对细菌的热效应是使蛋白质变性，使细菌失去营养，繁殖和生存的条件以至于死亡。

微波对细菌的生物效应是微波电场改变细胞膜断面的电位分布，影响细胞膜周围电子和离子浓度，从而改变细胞膜的通透性能，细菌因此营养不良，不能正常新陈代谢，细胞结构功能紊乱，生长发育受到抑制而死亡。

此外，微波能使细菌正常生长和稳定遗传繁殖的核糖核酸[RNA]和脱氧核糖核酸[DNA]，是由若干氢键松弛，断裂和重组，从而诱发遗传基因突变，或染色体畸变甚至断裂。

医疗垃圾了具有毒性，采用一般的方法处理，难以灭菌。

医疗废物在转移运输前都会对医疗垃圾进行粉碎，若用微波进行处理的话，不仅可以起到杀菌的作用，还可以将废物的体积减小。

用微波处理后的医疗垃圾不仅可以达到消毒的作用还可以减小体积，方便运输和焚烧，很大程度上节约了时间。

6 微波技术展望目前人们对微波与物质作用机理的认识，还处在初级阶段。

难以对反应条件及设备进行较为准确的预期和设计,因此造成了在化学生产中的局限性，限制了微波技术的发展。

而且将家用微波炉加以简单改装,安全性及效率都受到很大的限制,限制了该领域研究的发展。

微波具有清洁、高效、耗能低、污染少等特点,它在越来越多的领域得到了应用。

通信，军事，医疗，化学等，它不仅开辟了有机合成的一个新领域,同时也广泛地应用于其它化学领域中,如微波脱附、干燥,微波溶样 ,微波净化,微波中药提取等。