Radiación Microondas

2.4.1 Microondas y Química Verde

La química verde es una disciplina que impulsa el diseño de procesos y productos que eliminan o reducen la generación y la utilización de sustancias peligrosas.

La química verde se basa en doce principios fundamentales que se enumeran a continuación[35].

1. Es mejor prevenir la generación de residuos que tratarlos una vez que se han generado.

2. Los métodos de síntesis deben ser diseñados de manera que se incorporen todos los materiales utilizados en el producto final.

26 3. Donde sea aplicable, las metodologías de síntesis deben ser diseñadas de manera que sean utilizadas y producidas sustancias que sean poco o nada tóxicas a la salud humana y al medio ambiente.

4. Los productos químicos deben ser diseñados de manera que preserven su eficacia, disminuyendo su toxicidad.

5. El uso de sustancias auxiliares (solventes, etc.,) debe ser evitado siempre que sea posible, y deben ser inocuos cuando sean utilizados.

6. Los requerimientos energéticos deben considerarse por su impacto económico y en el ambiente, y deben minimizarse. Privilegiar métodos a temperatura y presión ambiente

7. Donde sea técnica y económicamente factible, las materias primas deben provenir de fuentes renovables

8. La derivatización (procedimiento por medio del cual se modifica químicamente un analito para detectarlo o separarlo con facilidad) debe ser evitada siempre que sea posible.

9. Preferir reactivos catalíticos (tan selectivos como sea posible) a los reactivos estequiométricos.

10. Los productos químicos deben diseñarse de manera tal que al final de su función éstos no persistan en el medio ambiente y se degraden a productos inocuos.

11. Deben desarrollarse metodologías analíticas que permitan el monitoreo y control en tiempo real, antes de la formación de sustancias peligrosas.

12. Las sustancias deben elegirse de modo de minimizar su potencial riesgo de accidentes químicos, incluidas las emanaciones, explosiones e incendios.

De acuerdo a sus principios, la química verde requiere procesos de síntesis que sean benignos con el ambiente. Uno de los medios para conseguir este objetivo es explorar nuevas alternativas que permitan condiciones de reacción en tiempos cortos o evitar el uso de solventes, calentamiento eficiente de la mezcla de reacción, entre otros. En consecuencia, varias estrategias han surgido, entre ellas, la síntesis asistida por radiación microondas[32].

27 2.4.2 Fundamentos de la radiación microondas

Las microondas son una forma de radiación electromagnética con una frecuencia comprendida entre los 300 GHz y 300 MHz, con longitudes de onda entre 1mm y 1 m. Los hornos de microondas domésticos y los reactores de microondas operan a una frecuencia de 2.45 GHz (longitud de onda de 12.24 cm) para evitar interferencias con las frecuencias de telecomunicaciones. En este intervalo de energía electromagnética, únicamente la rotación molecular es afectada y no la estructura molecular, ya que la energía del microondas es más baja que la energía requerida para romper enlaces moleculares[36].

En general, las microondas pueden interaccionar con la materia de tres formas (Figura 2.7):

son reflejadas en el caso de superficies conductoras, como es el caso de los metales, grafito, etc.; en el caso de materiales aislantes, penetran el material (son transmitidas) y; en el caso de materiales dieléctricos, son absorbidas resultando en un rápido calentamiento del medio[37].

Cuando las microondas interaccionan con una sustancia, la transferencia de energía que ocasiona el rápido calentamiento puede ocurrir por dos mecanismos: rotación de dipolo y conducción iónica. En el caso de la rotación de dipolo, las moléculas polares tratan de alinearse al campo eléctrico, el cual varía constantemente a una alta velocidad.

Figura 2.7. Diagrama de la interacción de la radiación microondas con diferentes materiales:

a) reflexión b) transmisión c) absorción

28 Cuando la molécula trata de alinearse, se genera un movimiento rotacional, el cual genera una fricción y se transforma en energía calorífica. Por otro lado, en el caso de la conducción iónica, si en la sustancia sometida a la radiación existen especies iónicas o iones libres, el campo eléctrico de la radiación de microondas genera movimiento cuando las moléculas tratan de alinearse al campo en constante cambio, lo que produce la colisión de estos iones causando su calentamiento[38]. De manera que el campo eléctrico que oscila rápida y constantemente es el responsable del calentamiento por microondas, también llamado calentamiento dieléctrico; a 2.45 GHz el campo oscila 4.9x10⁹ veces por segundo, y la fuerte agitación, producida por la orientación cíclica de las moléculas, resulta en un calentamiento interno como se ha explicado anteriormente.

El calentamiento por microondas depende de la habilidad de los líquidos o sólidos de absorber y transformar la energía electromagnética en calor. La habilidad de un material de convertir la energía absorbida en calor, viene dada por la tangente de pérdida, tan δ, la cual es la propiedad más importante en el procesamiento por microondas. Esta propiedad relaciona la eficiencia con la que la radiación electromagnética es convertida en calor, con la habilidad de las moléculas de ser polarizadas por el campo eléctrico. Una sustancia se calentará más rápidamente entre mayor sea su valor de tan δ, la cual viene dada por el cociente de la perdida dieléctrica ε´´, y la constante dieléctrica ε´, esto es tan δ= ε´´/ ε´. Los materiales con un valor de tan δ igual o mayor 0.1 son considerados buenos absorbentes de la radiación microondas. Por el contrario, un material con una tan δ baja, igual o menor a 0.0001, es considerado como un mal absorbente de la radiación microondas[39].

2.4.3 Calentamiento por microondas y calentamiento convencional

El calentamiento por microondas ofrece ventajas respecto al calentamiento convencional, algunas de estas ventajas son calentamiento instantáneo y directo, distribución homogénea de calor a altas temperaturas, calentamiento selectivo y ahorro de energía. Debido a que en el calentamiento por microondas la temperatura objetivo es alcanzada rápidamente, se evita la formación de productos secundarios de reacción[36, 40]. Esta es otra importante mejoría

29 del calentamiento por microondas, ya que permite aumentar el rendimiento de la reacción.

Por tales ventajas, la radiación por microondas es utilizada en la síntesis química como fuente de energía. Tales efectos se logran como resultado de la interacción directa de la radiación de microondas con las moléculas presentes en la mezcla de reacción; esta interacción directa es la responsable de un aumento rápido de la temperatura.

El calentamiento convencional, tradicionalmente se lleva a cabo por conducción utilizando una fuente externa de calor, por ejemplo, un baño de aceite. Este método de calentamiento es ineficiente para transferir energía al sistema, ya que depende de la conductividad de los materiales y resulta un perfil de temperatura en el cual la temperatura en las paredes del recipiente de reacción es mayor que en la mezcla de reacción. En contraste, la radiación microondas es una forma eficiente de calentamiento, ya que la transferencia de energía a las moléculas de la mezcla de reacción es de forma directa (Figura 2.8). Como los recipientes de reacción son transparentes a la radiación por microondas (cuarzo, teflón ó vidrio de borosilicato), un gradiente de temperatura invertido es obtenido comparado al obtenido por calentamiento convencional.

2.4.4 Efectos de la radiación microondas

Los efectos de la radiación de microondas, fundamentalmente son de dos tipos: térmicos y no térmicos. Dentro de los efectos térmicos, se consideran también otro tipo de efectos, llamados efectos específicos del microondas, pero fundamentalmente son también efectos térmicos.

Los efectos térmicos son consecuencia de las altas temperaturas de reacción que pueden ser rápidamente alcanzadas y que tienen relación directa con la ecuación de Arrhenius, la cual establece que a un aumento de temperatura de 10 °C corresponde a un aumento al doble en la velocidad de reacción[36].

30 Por otro lado, se tiene que el calentamiento eficiente producido por la radiación de microondas y la utilización de contenedores transparentes a esta radiación, resultan en una superficie no caliente, lo cual puede contribuir a los llamados efectos específicos del microondas, ya que no son observados en el calentamiento convencional.

Respecto a los efectos no térmicos existe en la comunidad científica un debate acerca de su existencia, ya que como se mencionó anteriormente, la energía del microondas es baja para romper enlaces químicos. Sin embargo, se considera que los efectos no térmicos son los responsables de los aumentos en la velocidad de reacción que no son resultado de la temperatura de reacción, sino directamente de la interacción de microondas con las moléculas en el medio de reacción, afectando por ejemplo a la energía de activación de la ecuación de Arrhenius (EA) o el factor pre-exponencial “A”, por la orientación de las moléculas dipolares[36]. Aunque recientemente, se ha encontrado que tales efectos pueden atribuirse únicamente a diferencias de temperatura en el medio de reacción cuando se trata de reacciones homogéneas en las que la agitación magnética no puede proporcionar una agitación eficiente[41].

Figura 2.8 Diagrama comparativo. a) Calentamiento convencional: La temperatura en la superficie exterior es mayor que la temperatura interna. b) Calentamiento por microondas: El recipiente es transparente a la energía de la radiación microondas, la mezcla de reacción absorbe la

energía del microondas y se tiene un calentamiento localizado.

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