Moléculas a reacción

Blog de divulgación del Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea

Calor y Temperatura (V). La calefacción por microondas

Mª Pilar Prieto Núñez-Polo (UCLM) y
José I. García Laureiro (ISQCH)

En anteriores entradas hablamos del calor y cómo se transmite, de su relación con la temperatura y de la existencia de una temperatura mínima. Quizá creíais que con estas entradas lo habíamos dicho todo acerca de este tema, pero no es así. Hoy volvemos a la carga con una nueva forma de comunicar energía a un sistema, elevando así su temperatura, radicalmente distinto a los ya comentados: las microondas. Por cierto, que ya tuvimos ocasión de hablar un poco de ellas en otra entrada anterior.

Como sucedió en el caso del nitinol, comentado en una reciente entrada, la calefacción por microondas también fue un descubrimiento “casual”, que se realizó cuando se estaba investigando otra cosa. Sucedió en 1940, mientras Randall y Booth diseñaron un dispositivo fiable para generar radiación microondas a una frecuencia fija en la Universidad de Birmingham durante la 2ª Guerra Mundial.[1] El 21 de febrero de 1940 verificaron la primera transmisión por microondas a 500 W y 3 GHz. Se fabricaron una gran cantidad de magnetrones (generadores de radiación microondas) porque eran el componente fundamental de los radares, sobre todo de los aviones y las baterías antiaéreas. Para entonces ya era conocido el uso de la radiación infrarroja y la luz visible como estimuladores de reacciones químicas y, por lo tanto, no supuso ninguna sorpresa cuando se observó por primera vez que la radiación microondas era capaz de calentar la comida. De hecho, existen varias historias, de dudosa veracidad, de cómo las barras de chocolate, huevos y palomitas de maíz reaccionaban bruscamente cuando eran expuestas a fuentes de microondas.

La primera patente para la calefacción por microondas fue presentada por la Raytheon Company en 1946, y un prototipo de horno fue instalado en un restaurante de Boston. Los hornos microondas se pusieron a la venta en 1947 a un precio muy elevado, además de tener unas dimensiones físicas enormes (2 metros de alto y más de 350 kg de peso).

Con la comercialización del primer horno microondas doméstico en 1954, se introdujo una nueva tecnología de calefacción en nuestra vida. Desde aquellos días, ya era conocido que la rápida calefacción de la comida en la cavidad microondas era debido al alto contenido en agua de los alimentos y, por lo tanto, que la eficiente conversión de la energía microondas en energía térmica era debida a la interacción de las moléculas de agua con la frecuencia microondas. Los estudios de Von Hippel y sus colaboradores en el MIT[2] establecieron que la radiación microondas no solo afecta a las moléculas de agua, sino también a otros materiales capaces de interaccionar de forma efectiva con microondas. Sin embargo, estos resultados no calaron demasiado en las mentes de los químicos del momento.

Ejemplos de hornos de microondas modernos: doméstico (izquierda) y para reacciones químicas (derecha)

Ejemplos de hornos de microondas modernos: doméstico (izquierda) y para reacciones químicas (derecha)

Más de tres décadas después, en 1986, con el trabajo pionero de Giguere y Gedye[3], la irradiación microondas irrumpió en el laboratorio de química como un procedimiento alternativo a la calefacción convencional.[4] A fin de cuentas, si el horno de la cocina valía para calentar la leche o la sopa, ¿por qué no iba a poder utilizarse para calentar una reacción química? Bueno, veremos que tampoco era tan evidente, pero, en cualquier caso, desde entonces ambos modos de calentamiento coexisten y se complementan, tanto en la cocina como en el laboratorio. Cada uno tiene su propia aplicación, pero ninguno ha eliminado al otro. Por ejemplo, actualmente casi todos calentamos un vaso de leche bajo irradiación microondas, pero la mayor parte de nosotros seguimos cocinando con calefacción clásica. Esta situación es similar en química. Hay algunas reacciones que se pueden mejorar bajo la irradiación de microondas y otras en las que es totalmente necesario utilizar calefacción clásica.

Pero, ¿cuáles son las diferencias entre ambos tipos de calefacción? Para responder a esta pregunta tenemos que empezar por recordar qué es la radiación microondas.

LAS MICROONDAS

Con el término microondas se denomina a las ondas electromagnéticas cuya frecuencia se sitúa entre 30 GHz y 300 MHz en el espectro electromagnético, correspondientes a longitudes de onda de 1 m y 1 cm, respectivamente. Para no interferir con los sistemas de telecomunicación, los microondas domésticos e industriales operan a una frecuencia de 2,45 GHz (12,22 cm). Si recordamos la relación entre energía de la radiación electromagnética y su longitud de onda, establecida a través de la ecuación de Planck, E=h·c, veremos que la capacidad de calefacción de las microondas no es muy elevada al compararla con otras fuentes de calefacción. Así, la energía correspondiente a un fotón de esa frecuencia (0,00001 eV, o 4 cal/mol) es demasiado baja para romper enlaces y es, incluso, inferior a la energía del movimiento de agitación térmica de las moléculas (conocido como movimiento Browniano). Por lo tanto, es evidente que la radiación microondas no puede provocar reacciones de absorción directa de fotones por los átomos, como sí ocurre en el caso de la radiación ultravioleta y visible.

espectro

Espectro de radiación electromagnética y su interacción con átomos y moléculas

Por otra parte, la cantidad energía transmitida directamente por la irradiación microondas posee un valor muy bajo (0,13 cal/mol), por lo que el calentamiento con microondas no se puede explicar por procesos de convección o conducción, como en el caso de la calefacción convencional. En realidad, la calefacción por microondas es un calentamiento dieléctrico. Los mecanismos principales por los cuales la componente eléctrica de la radiación microondas interacciona con la materia, comunicando energía a los átomos y las moléculas, son los dos que se detallan a continuación.

ROTACIÓN DIPOLAR

Al igual que la aguja imantada de una brújula se alinea con el campo magnético de la Tierra, apuntando el polo sur de la aguja hacia el polo norte magnético, las moléculas que tienen dipolos permanentes o inducidos se alinean con los campos eléctricos, de forma que el dipolo se opone a la dirección del campo eléctrico. Esto quiere decir que la parte más positiva del dipolo se orientará hacia la parte más negativa del campo, y viceversa. Dicha orientación será tanto más perfecta cuanto más intenso sea el campo eléctrico externo. En el límite, tendríamos todas las moléculas alineadas en impecable formación militar, con tan solo unos pequeños movimientos de agitación térmica (digamos que como cuando llevas mucho rato parado en un sitio y te balanceas sobre tus pies porque no puedes estar quieto del todo). ¡Ah, pero eso es lo que sucede cuando el campo eléctrico es constante! En el caso de la radiación electromagnética, el campo eléctrico oscila con el tiempo, de forma que en un instante determinado apunta su extremo negativo en una dirección, en otro se anula y en el siguiente lo que apunta es su extremo positivo. A 2,45 GHz, el campo oscila unos cinco mil millones de veces por segundo y, por tanto, aunque las moléculas dipolares tienden a orientarse con él, no tienen tiempo suficiente para alinearse, apareciendo un desfase en el movimiento. Es como si las moléculas estuviesen viendo un partido de tenis; las cabezas de los espectadores se mueven, siguiendo la trayectoria oscilante de la bola, ahora hacia la izquierda, ahora hacia la derecha. Pero si la bola se moviese lo suficientemente rápido (¡más que en un partido entre Nadal y Djokovic!), cambiaría de sentido antes de que las cabezas de los espectadores hubieran llegado al final de su giro. Tendríamos ese desfase de movimiento del que hablábamos antes. Dicho desfase provoca que los dipolos absorban energía electromagnética que disipan en forma de calor por pérdidas dieléctricas. Este fenómeno se acompaña de fricciones moleculares, debido a la rotación incompleta o “cabeceo” de las moléculas, produciéndose como consecuencia de todo ello el calentamiento del material.

img13

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Dos animaciones del movimiento de rotación incompleta de moléculas dipolares en presencia de un campo eléctrico oscilante

friccion

CONDUCCIÓN IÓNICA.

Los átomos y moléculas cargados, lo que se conoce como iones, tienden a moverse en los campos eléctricos, de forma que los iones positivos (cationes) se dirigen al extremo negativo del campo, mientras que los iones negativos (aniones), se dirigen hacia el positivo. Este fenómeno aparece, por ejemplo, en la electrolisis del agua, y en otros procesos electroquímicos, como el cromado o el dorado de metales. De nuevo, la situación se complica cuando el campo eléctrico es oscilante. Si en un instante determinado los cationes van a la derecha y los aniones a la izquierda, en el instante siguiente se invierte la situación. Es como si tuviéramos dos equipos de rugby, pero en lugar de ir a por el mismo balón cada uno fuera a por un balón de distinto color, y además que dichos balones se estuvieran continuamente lanzando de un extremo a otro del campo. Imaginaos los choques que se darían entre los jugadores de ambos equipos, cuando, de repente, dejaran de correr hacia una portería y empezaran a correr hacia la otra. Pues lo mismo sucede con los iones en el campo oscilante de las microondas. En este caso, la generación de calor se produce por fricción entre dichos iones y depende de su tamaño, de su carga, de su conductividad y de sus interacciones con el disolvente.

img14

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Dos animaciones del movimiento de traslación de iones en presencia de un campo eléctrico oscilante

De lo dicho en los anteriores apartados se deduce que los compuestos con constantes dieléctricas grandes tienden a calentarse rápidamente con las microondas, mientras que las sustancias menos polares, compuestos que no tienen momento dipolar y compuestos cristalinos altamente ordenados absorben pobremente la energía y no se calientan. Por ejemplo, todos hemos visto que los hornos de microondas domésticos tienen una posición especial para descongelar. Ello se debe a que, aunque la molécula de agua interacciona fácilmente con las microondas, cuando está inmovilizada en la red cristalina del hielo, dicha interacción no provoca ese movimiento de rotación desfasado, por lo que el hielo no se derrite fácilmente con las microondas. La posición especial de descongelación emite pulsos muy cortos de microondas, que sirven para que haya una fusión parcial de la superficie del hielo, de forma que el agua líquida que se va formando se caliente y ayude a fundir más hielo, hasta producir la descongelación completa.

Debido a estos mecanismos, cuando una sustancia es capaz de interaccionar eficazmente con las microondas, el calentamiento se produce simultáneamente en todo el volumen de la misma, a diferencia de la calefacción convencional, en la que el calor debe transmitirse desde su foco hasta la totalidad del volumen mediante procesos de conducción y convección, mucho más lentos.

Diferencia entre la calefacción convencional y por microondas. En la primera el calor pasa de las paredes del matraz a la reacción mediante un proceso de conducción, y luego se difunde en el medio mediante convección. En la segunda, todo el medio se calienta simultáneamente, llegando a aparecer puntos supercalientes. Las imágenes térmicas superiores ilustran estas diferencias

Diferencia entre la calefacción convencional y por microondas. En la primera el calor pasa de las paredes del matraz a la reacción mediante un proceso de conducción, y luego se difunde en el medio mediante convección. En la segunda, todo el medio se calienta simultáneamente, llegando a aparecer puntos supercalientes. Las imágenes térmicas superiores ilustran estas diferencias

COMO CUANTIFICAR LO FÁCILMENTE QUE SE CALIENTA UN MATERIAL CON MICROONDAS

La eficacia de la calefacción microondas depende de la capacidad de cada material para absorber la energía electromagnética y transformarla en calor. Este fenómeno depende de la naturaleza de las moléculas, en particular de sus propiedades dieléctricas, por lo que puede considerarse una calefacción selectiva, y viene cuantificado por el denominado factor de disipación (tan δ).

tan-delta

Definiéndose como pérdida dieléctrica (ε”) el valor que indica la eficiencia con la que la radiación electromagnética es convertida en calor, como constante dieléctrica (ε’) la magnitud que describe la capacidad de las moléculas de polarizarse en un campo eléctrico, y siendo el ángulo δ la diferencia de fase entre el vector campo eléctrico y el vector de polarización del material.

Así, valores altos de tan δ indican una fácil susceptibilidad a la radiación microondas. Esta es la razón por la que materiales como el agua líquida (tan δ=1570) o el metanol (tan δ=6400) se calientan eficientemente bajo irradiación microondas y, por el contrario, otros como el heptano (tan δ=1)  o el agua sólida (hielo) (tan δ=9) no se calientan en las mismas condiciones.

Entonces, ¿es mejor la calefacción clásica o la de microondas? Para contestar a esta pregunta vamos a resumir las notables diferencias que existen entre ambos tipos de calefacción:

heating_lab

Microondas Calefacción clásica
Acoplamiento energético Conducción/convección
Acoplamiento a nivel molecular Calefacción superficial
Rápida Lenta
Volumétrica Superficial
Selectiva No selectiva
Dependiente de las propiedades del material Menos dependiente de las propiedades del material
Control inteligente Control por la temperatura superficial

En consecuencia, conociendo las características de cada tipo de calefacción podremos utilizar aquella que se ajuste más a nuestras necesidades.



BIBLIOGRAFÍA

[1] D.M.P. Mingos, D.R. Baghurst, Applications of Microwave Dielectric Heating Effects to Synthetic Problems in Chemistry, Microwave-Enhanced Chemistry, American Chemical Society,Washington, DC, USA, 1997.

[2] A. R. Von Hippel, Dielectric Materials and Applications, MIT press, Cambridge, MA, 1954.

[3] a) R. Gedye, F. Smith, K. Westaway, H. Ali, L. Baldisera, L. Laberge and J. Rousell, Tetrahedron Lett., 1986, 279-282. b) R. J. Giguere, T. L. Bray, S. M. Duncan and G. Majetic, Tetrahedron Lett., 1986, 4945-4948.

[4] a) Microwaves in Organic Synthesis, 3rd, ed. A. de la Hoz and A. Loupy, Wiley, Weinheim, 2012. b) C. O. Kappe and A. Stadler, Microwaves in Organic and Medicinal Chemistry, 2nd Ed., Wiley-VCH, Weinheim, 2012. c) O. Kappe Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43, 6250-6284. d) A. de la Hoz, A. Díaz-Ortiz, J. R. Carrillo and M. A. Herrero, Selectivity under the action of microwave irradiation, in Microwaves in Organic Synthesis, 3rd Ed., ed. A. de la Hoz and A. Loupy, Wiley, Weinheim, 2012.

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Acerca de isqch

El Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea (ISQCH) es un instituto de investigación química mixto entre el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Zaragoza.

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Esta entrada fue publicada en 11/01/2017 por en Conceptos, Energía, Materiales, Técnicas y etiquetada con , , , , , , , .

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