9.10: Надкритична вода

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18978

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

При температурах, що перевищують 374.4 °С та надзвичайно високому тиску не менше 217,7 атм (217,7 × нормальний атмосферний тиск), різниця між рідкою водою та парою зникає, і вода потрапляє в особливий фізичний стан, який називається надкритичною рідиною. Як надкритична рідина, вода більше не має великої кількості водневих зв'язків, які надають рідкій воді її особливі властивості і роблять її таким хорошим розчинником для іонних матеріалів; натомість вона стає хорошим розчинником для органічних матеріалів. Властивості надкритичної води можуть бути змінені в широкому діапазоні, змінюючи температуру і тиск, і можуть бути досягнуті умови, в яких вода повністю змішується з неполярними сполуками, зберігаючи при цьому свою здатність солюбілізувати іони і полярні види. Змінюючи тиск на надкритичну воду, можна постійно змінювати її щільність від газоподібної до рідкоподібної з відповідною варіацією властивостей рідини. Хоча умови, необхідні для підтримки води як надкритичної рідини, дуже важкі і вимагають спеціального обладнання, її здатність замінювати органічні розчинники робить надкритичну воду дуже корисною для ряду цілей, таких як середовище для реакцій органічного синтезу. Навіть при стисненні до щільності, рівної щільності рідкої води, надкритична вода має низьку в'язкість. Це важливо для хімічних процесів, оскільки збільшує масоперенесення та швидкість дифузії в процесах, керованих дифузією.

Надкритична вода має величезний потенціал як середовища розчинника та каталітичного матеріалу для хімічних реакцій. Його висока температура сприяє піролізу, сприяє гідролізу сполук, в яких молекули розщеплюються з додаванням Н ₂ О, а в присутності O ₂ і інших окислювачів - сильно окислювальним середовищем. Ретельне налаштування температури, тиску та рівнів окислювачів дозволяє надкритичній воді сприяти частковому окисленню органічних матеріалів, таких як часткове окислення метану для отримання метанолу:

\[\ce{CH4 + 1/2 O2 \rightarrow CH3OH}\]

У той час як метан повинен переміщуватися трубопроводом або як надзвичайно холодна кріогенна рідина, що важко зробити з деяких віддалених регіонів, де знаходиться природний газ, метан, перетворений у рідкий метанол, може бути відправлений у великі танкери та використовуватися як моторне паливо або в паливних елементах.

Кисень, як і інші звичайні неорганічні гази, повністю змішується з надкритичною водою під екстремальними тисками, що підвищує його здатність діяти як окислювач при хімічному синтезі і руйнуванні відходів. Надкритична вода є чудовим середовищем, в якому можна використовувати розчинений молекулярний кисень для окислення органічних відходів, включаючи хлоровані сполуки, до вуглекислого газу, води та неорганічних галогенідів (хлорид-іон). Процес полегшується здатністю надкритичної води за певних умов діяти як хороший розчинник для органічних відходів, таких як поліхлоровані дифеніли (ПХБ).

При екстремальному тиску і температурних умовах близько 30 км в геосфері вода, швидше за все, буде надкритичною. При наявності надкритичної води на цих глибині мінерали можуть вести себе набагато інакше порівняно зі своєю поведінкою в нормальних умовах, особливо щодо їх розчинення та поведінки опадів. Існують також дані, які свідчать про те, що хімічні процеси можуть утворювати метан за цих умов, що призводять до небіологічного шляху утворення вуглеводнів.