Language
Country/Area
No result found
التحول المذهل للمياه شديدة الحرارة: كيف تتغير خصائصها عندما ترتفع درجة حرارتها؟
الماء المسخن هو ماء سائل تحت ضغط عند درجة حرارة تتراوح بين نقطة الغليان العادية (100 درجة مئوية أو 212 درجة فهرنهايت) ودرجة حرارته الحرجة (374 درجة مئوية أو 705 درجة فهرنهايت). يتم تثبيت هذا النوع من الماء عن طريق الضغط الزائد، أو عن طريق تسخين الماء في حاوية مغلقة للحفاظ على الحالة السائلة تحت توازن ضغط البخار المشبع، وتختلف خصائصه بشكل كبير عن الماء في بيئة الضغط الجوي. تظهر الأبحاث أنه عندما يتم تسخين الماء إلى حالة شديدة السخونة، فإن العديد من خصائصه غير العادية تخضع لتغيرات مفاجئة.
"تنكسر الروابط الهيدروجينية للماء أثناء عملية التسخين، مما يجعل الماء أقل قطبية، مما يجعل الماء يبدأ في التصرف وكأنه مذيب عضوي."
التغيرات في خصائص الماء شديد السخونة
مع زيادة درجة حرارة الماء، يُظهر الماء المسخن تغيرات أكثر أهمية في خواصه مقارنة بالمواد الأخرى. تنخفض اللزوجة والتوتر السطحي للماء مع زيادة درجة الحرارة، بينما يزداد الانتشار. عندما ترتفع درجة حرارة الماء، فإن التأين الذاتي للماء يزداد أيضًا، وتبلغ قيمة pKw حوالي 11 عند 250 درجة مئوية، مما يدل على أن تركيز أيونات الهيدروجين (H3O+) وجذور الهيدروكسيل (OH−) في الماء يزداد، ولكن. يبقى الرقم الهيدروجيني كما هو.
تحليل السلوك غير الطبيعي
الماء جزيء قطبي ذو شحنات موجبة وسالبة مفصولة في المركز. عند تسخينها، تؤدي الحركة الحرارية للهيكل المرتبط بالهيدروجين إلى تدمير القطبية الكلية للماء، مما يؤدي إلى انخفاض ثابت العزل الكهربائي النسبي للمياه مع زيادة درجة الحرارة. عند 205 درجة مئوية، ينخفض ثابت العزل الكهربائي النسبي إلى 33، وهو ما يشبه ثابت العزل الكهربائي للميثانول في درجة حرارة الغرفة. تتسبب هذه الظاهرة في أن يبدأ الماء في التشابه مع خليط الماء والميثانول، مما يؤثر على قابلية ذوبانه وتفاعله الكيميائي.
تغيرات الذوبان
المركبات العضوية
مع ارتفاع درجة الحرارة، غالبًا ما تزداد قابلية ذوبان الجزيئات العضوية بشكل كبير، ويرجع ذلك جزئيًا إلى التغيرات في القطبية. بالإضافة إلى ذلك، فإن بعض المواد التي تعتبر غير قابلة للذوبان في درجات الحرارة التقليدية قد تصبح قابلة للذوبان في الماء شديد السخونة. على سبيل المثال، تزداد قابلية ذوبان PAHs بمقدار خمسة أوامر من حيث الحجم عند 25 درجة مئوية مقارنة بـ 225 درجة مئوية.
الأملاح
على الرغم من الانخفاض في السماحية النسبية، تظل العديد من الأملاح قابلة للذوبان حتى تقترب من النقطة الحرجة. على سبيل المثال، كلوريد الصوديوم لديه قابلية ذوبان تصل إلى 37٪ بالوزن عند 300 درجة مئوية. ومع ذلك، مع اقتراب النقطة الحرجة، تنخفض قابلية ذوبانه بشكل ملحوظ.
الغاز
تقل قابلية ذوبان الغازات في الماء عادة مع ارتفاع درجة الحرارة، ولكنها ترتفع مرة أخرى بعد درجة حرارة معينة. يتم تعزيز قابلية ذوبان الأكسجين في الماء المسخن بشكل خاص، مما يتيح تطبيقه في عمليات الأكسدة الرطبة.
التأثيرات المسببة للتآكل
قد يكون الماء المسخن فوق 300 درجة مئوية أكثر تآكلًا من الماء بدرجة حرارة الغرفة. وهذا يعني أنه في ظل هذه الظروف، يجب توخي الحذر عند اختيار مواد المعدات، والتي تتطلب غالبًا استخدام سبائك مقاومة للتآكل.
متطلبات الطاقة
إن الطاقة اللازمة لتسخين المياه أقل بكثير من الطاقة اللازمة لتبخيرها، مما يجعل استخدام المبادلات الحرارية لاستعادة الطاقة أكثر جدوى. على سبيل المثال، الطاقة اللازمة لتسخين الماء السائل من 25 درجة مئوية إلى 250 درجة مئوية تبلغ حوالي 976 كيلوجول/كجم، وهو أقل بكثير من 2869 كيلوجول/كجم المطلوبة لتحويله إلى بخار.
الاستخلاص والتفاعلات الكيميائية
يستخدم الماء المسخن على نطاق واسع في عمليات الاستخلاص والتفاعل الكيميائي. على سبيل المثال، يمكنه استخراج مكونات قيمة من النباتات بسرعة وانتقائية، ويمكنه تحويل المواد العضوية كيميائيًا بشكل فعال إلى منتجات وقود، وهو أمر له أهمية كبيرة لحماية البيئة.
تطبيقات تقنية الكروماتوغرافيا
في التحليل اللوني السائل عالي الأداء ذو الطور العكسي، يكون الطور المتحرك شائع الاستخدام عبارة عن خليط من الميثانول والماء. نظرًا لأن نطاق قطبية الماء مستقر مع تغيرات درجات الحرارة، فإن هذا يسمح باستخدام خصائصه بشكل فعال في عمليات الفصل الكروماتوغرافي لفصل وتحليل المركبات العضوية المختلفة.
إن التحول في خصائص المياه شديدة السخونة لا يكشف فقط عن الإمكانات الفريدة للمياه كمذيب في العلوم والصناعة، ولكنه يدفعنا أيضًا إلى التفكير في كيفية تصرف المياه في ظل الظروف البيئية المختلفة وكيف يمكن أن تؤثر استخداماتها المحتملة على التقنيات المستقبلية والاستدامة البيئية؟
