Cienciaes.com : Micro-ondes appliquées à la synthèse chimique. Nous avons parlé avec Antonio de la Hoz.

En chimie, on nous a appris que les substances peuvent réagir les unes avec les autres pour en générer différentes. Plusieurs facteurs interviennent donc dans une réaction chimique. D’une part, les substances initiales, les réactifs, qui, comme dans toutes choses, sont constitués de molécules constituées d’atomes liés entre eux de manière spécifique par des liaisons chimiques.

D’autre part, on obtient les produits de la réaction, dont les molécules se forment lorsque les liaisons des réactifs sont rompues et leurs atomes s’organisent de manière différente, générant de nouveaux produits. Ce processus de conversion n’est pas gratuit, selon les substances de départ et ce que l’on veut en obtenir, certains réactifs auront besoin d’énergie pour que la transformation se produise, soit pour la démarrer, soit pour la maintenir une fois commencée, d’autres, en revanche, ils libéreront de l’énergie dans le processus. Certaines réactions sont très lentes à température ambiante mais leur vitesse peut être augmentée de diverses manières : en élevant la température, en présence d’autres substances appelées catalyseurs, dissoutes dans certains solvants, etc.

Dans une émission précédente, notre invité, Antonio de la Hoz, professeur de chimie organique à l’Université UCLM à Ciudad Real et directeur du Groupe de recherche sur les micro-ondes en synthèse organique et chimie verte (COSM), parlait de chimie durable, ou chimie verte, comme un ensemble de principes visant à réduire ou éliminer l’utilisation ou la génération de substances chimiques dangereuses qui interviennent dans les processus chimiques. Aujourd’hui, nous comptons à nouveau sur lui pour nous parler d’un domaine de recherche qui peut nous aider dans cette voie : l’utilisation des micro-ondes en synthèse chimique.

Qui a le plus et qui a le moins utilisé le four à micro-ondes dans sa cuisine pour chauffer de l’eau ou des aliments, en fait, nous le connaissons si bien que nous ne nous demandons guère comment il est possible que cet appareil parvienne à chauffer si bien et en si peu de temps les aliments. temps.

Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques du même type que la lumière visible, mais de fréquence inférieure, qui sont utilisées dans une multitude d’applications : communications téléphoniques mobiles, signaux UHF télévision, radars, etc. Les applications sont tellement nombreuses qu’il a fallu élaborer une réglementation très exigeante qui répartit les fréquences pour différents usages.

Pour les applications industrielles, scientifiques et médicales, cinq fréquences spécifiques sont utilisées, dont la plus utilisée dans les laboratoires chimiques ou industriels est 2450 Mhz, celle-là même qui permet de chauffer de l’eau ou des aliments au micro-ondes.

Les micro-ondes ont une capacité très limitée à interagir avec la matière, ils n’ont pas assez d’énergie pour rompre les liaisons chimiques, ils ne produisent donc pas d’effets nocifs sur nous ou sur nos aliments. Le four à micro-ondes les utilise comme méthode de chauffage car certaines substances les absorbent et les transforment en chaleur.

Un champ micro-ondes aura peu ou pas d’effet sur les substances dont les molécules sont neutres et dont les charges électriques sont uniformément réparties. En revanche, une substance dont les molécules ont des charges électriques déplacées (polaires) sera très sensible à ce type d’ondes. Une molécule dipolaire, comme la molécule d’eau par exemple, ayant ses charges légèrement déplacées, va chercher à tout moment à s’orienter selon la direction du champ. Étant donné que le champ à l’intérieur du four à micro-ondes change de direction 2,45 milliards de fois par seconde, le mouvement des molécules se traduit en chaleur et la température augmente.

Ainsi, alors que les substances polaires à l’état liquide atteignent le point d’ébullition en une minute avec les micro-ondes, les substances non polaires ne chauffent pas, ou moins. Cette propriété est importante en synthèse chimique car elle permet l’utilisation sélective du chauffage dans les solvants et les réactifs. Lorsque les micro-ondes sont appliquées à des substances solides, les différences peuvent être très notables, certaines ne chauffent pas et d’autres peuvent atteindre 2 000 ºC en quelques minutes.

L’objectif de la recherche dirigée par Antonio de la Hoz et son équipe est d’étudier les réactions chimiques avec des moyens informatiques pour découvrir quels produits sont les plus adaptés à l’utilisation des micro-ondes dans la synthèse de produits chimiques.

L’utilisation des micro-ondes pour favoriser les réactions en laboratoire est bien développée mais ses applications industrielles ne sont pas exemptes de problèmes. Dans l’industrie chimique, de grands volumes de réactifs sont utilisés et l’effet des micro-ondes est limité par ce que l’on appelle le « facteur de pénétration ». Lorsqu’on irradie un grand volume avec des micro-ondes, celles-ci perdent de l’énergie en passant de la surface vers l’intérieur. La distance à laquelle le champ diminue de 37 % est appelée facteur de pénétration. Par exemple, la pénétration dans un grand volume d’eau, à 25ºC, est de 1,4 cm, tandis que si l’eau est à 95ºC, son facteur de pénétration est de 5,7 cm. Cela empêche de chauffer facilement de grands volumes avec les micro-ondes, car seule la surface serait chauffée.

Le facteur de pénétration constitue un obstacle important lors de l’utilisation des micro-ondes dans les processus industriels. Une solution proposée consiste à chauffer la substance fluide pendant qu’elle circule dans des conduits minces, ce que l’on appelle le chauffage par flux.

Les micro-ondes peuvent être utiles dans les réactions chimiques sans solvant. Lorsque les réactifs sont polaires, les micro-ondes peuvent être utilisés pour les chauffer directement et l’utilisation de solvants, qui dans de nombreux cas sont également polluants, n’est pas nécessaire. L’énergie est davantage utilisée et la pollution est moindre. Des progrès ont également été réalisés dans l’utilisation de catalyseurs recyclables (zéolites), qui sont des substances thermiquement isolantes mais qui réagissent bien aux micro-ondes.

L’état actuel des recherches sur l’utilisation des micro-ondes en synthèse chimique se concentre sur le laboratoire. Pour passer à l’échelle industrielle, de meilleurs systèmes de génération de micro-ondes et des processus de fabrication en flux continu doivent être développés. Cependant, la possibilité d’économiser de l’énergie et de réduire l’utilisation de solvants et d’autres contaminants dans certains processus constitue un avantage important pour parvenir à une chimie plus propre et plus durable.

je vous invite à écouter Antonio de la Hozprofesseur de chimie organique à l’Université UCLM à Ciudad Real et directeur du Groupe de recherche micro-ondes en synthèse organique et chimie verte.