Brechen Mikrowellen Wasserstoffbrückenbindungen?

Uns wird gesagt, dass die Photonenenergie der Mikrowellenfrequenzstrahlung ( ∼ 10 − 5   eV ) ist nicht hoch genug, um Wasserstoffbrücken zu brechen. Aber wenn das stimmt, wie funktioniert die dielektrische Erwärmung von Wasser? Flüssiges Wasser ist ein Netzwerk aus polaren Molekülen, die durch H-Bindungen zusammengehalten werden, so dass sie sich nicht zusammen mit dem Mikrowellenstrahl oder irgendetwas anderem drehen können ....

Scheint, als ob dies ein Problem der beiden Betrachtungsweisen von Strahlung ist – klassische Welle vs. Photonenstrom –, die nicht kompatibel sind.

Moleküle flüssigen Wassers werden sicherlich nicht an Ort und Stelle gehalten und können sich nicht bewegen. Sonst wäre es keine Flüssigkeit!
Aber die Leute sprechen von "dem bekannten Netzwerk flüssigen Wassers".
Insbesondere Marcus (1995): "das bekannte dreidimensionale Netzwerk aus flüssigem Wasser". in Wasserbindung durch organische Moleküle. Cell Biochemistry and Function 13: 157–163.
Google findet diesen Ausdruck nicht. Referenz bitte?
Marcus (1995) Wasserbindung durch organische Moleküle. Cell Biochemistry and Function 13: 157-163
Ich glaube, Mikrowellen wirken auf die Rotationsenergie eines Moleküls. Im Wesentlichen drehen die Mikrowellen das Molekül herum und herum, wenn der elektrische Dipol des Moleküls mit dem elektrischen Feld der Mikrowelle interagiert. Dieses Rotationskippen des Moleküls wird in Wärme umgewandelt. Aber in einigen Fällen können Seltsamkeiten passieren, wie wenn ein Metall in der Mikrowelle erhitzt wird, ein Ladungsaufbau durch den gleichen Prozess, der oben erwähnt wurde, und wenn der Aufbau groß genug ist, kann ein Funke entstehen, der die Luft und das Metall ionisiert. Oder nehmen Sie zum Beispiel Plasmatrauben in der Mikrowelle, durch den gleichen Spannungsaufbau kann Ionisation entstehen
ja ja, das ist das dogma. Was ich frage, ist, wie kann dieses Dogma richtig sein, wenn Mikrowellen die Wassermoleküle NICHT umdrehen KÖNNEN, weil die Wassermoleküle durch Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden und Mikrowellenphotonen anscheinend nicht genug Energie haben, um Wasserstoffbrücken zu brechen?
Typischerweise arbeiten Mikrowellen an Rotationszuständen, IR-Strahlung an Schwingungszuständen, Röntgenstrahlen an elektronischen Zuständen (Elektronen im inneren Kern), optische und UV-Strahlung an elektronischen Zuständen (äußere Kern-/Valenzelektronen).
Nochmals, ja. Aber ich frage nicht nach IR- oder Röntgenstrahlen. Ich frage nach Mikrowellen.
Meinst du die intermolekulare oder intramolekulare Wasserstoffbrücke? Aber ich stimme der Antwort unten zu, dass alles damit verbunden ist, dass die Energien zwischen den Modi übertragen werden können
Erwägen Sie, „Das wurde uns gesagt“ durch „Es ist eine bekannte, wissenschaftlich bewiesene harte Tatsache, dass das“ zu ersetzen.
Sie scheinen Eis zu beschreiben, nicht Wasser. Tatsächlich können sich Moleküle in Eiswasser nicht drehen.
Ihre Argumente haben nichts mit der Kompatibilität von "klassischer Welle vs. Photonenstrom" zu tun.

Antworten (3)

In einem Feststoff oder einer Flüssigkeit haben wir kollektive Schwingungen des gesamten Systems. Es kann nützlich sein, sich diese als Quasiteilchen vorzustellen, die Phononen genannt werden, das heißt, wenn wir dem System als Ganzes Schwingungsenergie hinzufügen, erzeugt es ein Phonon, oder umgekehrt kann ein Phonon zerfallen und Energie emittieren.

Schwarzkörperstrahlung ist (meistens) die Emission von Photonen aus den kollektiven Schwingungen, dh der Zerfall von Phononen, um Photonen zu emittieren, und die dielektrische Erwärmung ist der umgekehrte Prozess, dh die Absorption von Photonen, um Phononen zu erzeugen. Das passiert in Ihrem Mikrowellenherd. Die Erwärmung beruht auf der Anregung der kollektiven Schwingungen, nicht auf der Wechselwirkung von Photonen mit Wasserstoffbrückenbindungen. Die Quanten dieser kollektiven Anregungen (dh ihre Phononen) sind im Allgemeinen sehr klein, sodass sie Photonen auch sehr niedriger Energien absorbieren können.

In realen Materialien sind die kollektiven Schwingungsmoden anharmonische Oszillatoren, sodass sie alle miteinander interagieren und die Schwingungsenergie gemäß der Boltzmann-Verteilung zwischen ihnen verteilt wird. Das bedeutet, dass die Schwingungsenergie der absorbierten Mikrowellenphotonen schnell mit höheren Energiemoden wie den Schwingungsanregungen von Wasserstoffbrückenbindungen ins Gleichgewicht gebracht wird und diese Bindungen aufbrechen kann. Dies bedeutet, dass Energie in kleinen Einheiten von Mikrowellenphotonen absorbiert und dennoch ausreichend aufgebaut werden kann, um die viel energiereicheren Wasserstoffbrückenbindungen aufzubrechen.

John Rennie sagt: „Dies bedeutet, dass Energie in kleinen Einheiten von Mikrowellenphotonen absorbiert und dennoch ausreichend aufgebaut werden kann, um die viel energiereicheren Wasserstoffbrücken zu brechen.“ Bedeutet das also, dass es falsch ist zu sagen (wie es die Mobiltelefonindustrie tut), dass Mikrowellen Moleküle wie DNA nicht brechen können, weil einzelne Mikrowellenphotonen nicht genug Energie haben, um kovalente Bindungen zu brechen?
@ user247059 In dem Beispiel diskutieren Sie, dass die Mikrowellenphotonen das Wasser erhitzen und die Wärmeenergie im Wasser die Wasserstoffbrückenbindungen aufbrechen kann. Aber selbst wenn das Wasser auf 100°C erhitzt wird, ist immer noch nicht genug Wärmeenergie vorhanden, um die kovalenten Bindungen in der DNA aufzubrechen. In jedem Fall würde es Ihnen egal sein, nachdem die Mikrowellen Sie um mehr als ein paar Grad erhitzt haben :-)
Sorry, das ergibt für mich keinen Sinn. Das allgemein anerkannte Modell dafür, wie Mikrowellen Wasser erhitzen, besteht darin, dass sie die Wassermoleküle (Dipole) in Rotation versetzen, und diese Rotation verursacht Reibung, die sich als Wärme manifestiert. Meine ursprüngliche Frage war, wie dies korrekt sein kann, wenn das Vorhandensein von H-Bindungen zwischen Wassermolekülen die Rotation der Wassermoleküle verhindern würde. Sie scheinen jetzt zu sagen, dass die DURCH die Rotation von Wassermolekülen ERZEUGTE Wärme einen Bruch der H-Bindungen verursacht, die die Rotation von Wassermolekülen verhindern. Wie gesagt, das erscheint mir nicht sinnvoll.
Das allgemein akzeptierte Modell, wie Mikrowellen Wasser erhitzen, ist, dass sie die Wassermoleküle (Dipole) in Rotation versetzen – das ist falsch.
So steht es in Kapitel 2 von Kappe CO Stadler A und Dallinger D (2012) Microwaves in Organic and Medicinal Chemistry, Second Edition Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Was ist Ihrer Meinung nach das allgemein akzeptierte Modell, wie Mikrowellen Wasser erhitzen?
Trotzdem ist es falsch. Mikrowellen mit der richtigen Frequenz können tatsächlich Rotationsübergänge verursachen, vorausgesetzt, nichts behindert die Rotation (Wasserstoffbindungen würden die Rotation behindern), aber die Mikrowellenheizung, wie sie in Küchen auf der ganzen Welt verwendet wird, ist kein resonanter Prozess.
OK, also wiederhole ich. Wie erhitzen Mikrowellenherde Ihrer Meinung nach Wasser?
Durch den Prozess, den ich beschrieben habe. Die Absorption von Mikrowellenphotonen erzeugt Phononen, und diese Phononen werden dann in alle anderen verfügbaren Schwingungsmoden gestreut.
Ich glaube, ich habe deinen Beitrag über Vibrationsphononen nicht verstanden. Wollen Sie damit sagen, dass dies nichts damit zu tun hat, dass Wassermoleküle Dipole sind? Wenn ja, warum wirken bestimmte Frequenzen besser als andere Frequenzen?
Dies ist nicht wirklich der Ort für längere Diskussionen. Wenn Sie im Chatraum fortfahren möchten, bin ich im Moment da.
Als Anfänger bei Physics Stack darf ich den Chatroom nicht betreten.
Die Spitze der Absorption von Mikrowellenenergie durch Wasser wird tatsächlich durch Resonanzkopplung mit Rotationsmoden verursacht und erklärt den Grund, warum Eis Mikrowellenenergie weniger gut absorbiert (siehe meine frühere Antwort hier ) - stärkere Wasserstoffbrückenbindungen

Ich würde denken, dass Mikrowellen nur ausreichen, um die Rotationsmoden des Wassermoleküls zu berücksichtigen, und dass sie die Wasserstoffbindung per se nicht "brechen" könnten. Selbst wenn sie es täten, denke ich, dass die Van Der Walls-Streitkräfte eine schnelle Reparatur durchführen würden!

Sie brauchen kein individuelles Energiequantum, um Wellen zu brechen; Sie brauchen nur die Energie, um absorbiert zu werden.

Es ist, als würde man jemanden auf einer Schaukel schieben (mit starren Armen auf der Schaukel). Sie müssen nicht stark genug sein, um sie zu drücken, damit sie nach einem einzigen Stoß eine vollständige Schleife machen: Es würde ausreichen, zum richtigen Zeitpunkt weiter zu drücken, und wenn das System ausreichend wenig Reibung aufweist, werden Sie sie schließlich drücken "übertrieben".

Die Vibrations-/Rotationsmoden der Wassermoleküle sind gekoppelt – regen einen an, und im Laufe der Zeit überträgt sich ein Teil der Energie auf andere Moden. Das gesamte System nimmt also Energie auf, bis Bindungen zu brechen beginnen. Tatsächlich brechen (und bilden) Bindungen auch ohne Zugabe von Energie die ganze Zeit – wiederum, weil sich die Energie eines einzelnen Wassermoleküls ändert, wenn sie „wackeln“.

Wir können etwas über die durchschnittliche Energie eines Moleküls sagen – aber normalerweise nicht über die Energie des einzelnen Moleküls.

Ist das sinnvoll?

Floris: Ich nehme an, Sie meinen, Sie brauchen kein einzelnes Energiequantum, um eine Bindung zu brechen (keine Welle). Aber das ist eigentlich der genaue Grund, warum die Leute sagen, dass Mikrowellen mit geringer Intensität (wie bei Handy-Emissionen) nicht schädlich sind. Sie sagen, dass Mikrowellenphotonen nicht genug Energie haben, um Moleküle zu ionisieren, und dass Nicht-Ionisieren nicht schädlich ist. Das akzeptierte Modell ist, dass alles auf Einzelphotonen-Wechselwirkungen mit Materie zurückzuführen ist.
@ user247059 In Mikrowellenöfen wird dem Wasser in Lebensmitteln Energie zugeführt und dessen Temperatur erhöht. Schwingungs- und Rotationsebenen. Erst wenn die Temperatur den Siedepunkt erreicht, wird die flüssige Phase gebrochen und H2O wird zu Dampf
@user247059 „Schaden“ kann auf zwei Arten passieren. Erhitzen ist ein echter Effekt, und ausreichendes Erhitzen kann Proteine ​​denaturieren. Aus diesem Grund berechnet ein MRT-Scanner (mit 10 kW HF-Sendeleistung) die SAR (spezifische Absorptionsrate), um sicherzustellen, dass der Patient nicht überhitzt (die Körpertemperatur steigt ... nur nicht genug, um Ihnen zu schaden Die Grenzwerte sind auf 2 W/kg („Normalmodus“) festgelegt, können jedoch für bestimmte Anwendungen und mit ausreichender Sorgfalt und Überwachung höher sein). Die Ionisierung erfordert normalerweise höhere Energiequanten (obwohl eine Flamme nur wegen der Energie der endothermen Reaktion ionisiert wird).
Beachten Sie auch, dass „Aufbrechen einer Wasserstoffbrücke“ keineswegs dasselbe ist wie „Ionisieren“. Die Wasserstoffbrücke besteht zwischen dem Wasserstoffatom eines Moleküls und dem Sauerstoff (Elektronen) des anderen Moleküls; Wenn die Bindung gebrochen wird, kehrt der Wasserstoff normalerweise zu seinem Ausgangsmolekül zurück. Außerdem ionisieren Wassermoleküle immer (OH-, H3O+) und rekombinieren; ihre Ionisation ist nicht das Schädliche. Es sind komplexe Moleküle, die ihre Konfiguration ändern / neue Reaktionsprodukte erzeugen, die durch Strahlung „geschädigt“ werden.
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