Language
Country/Area
No result found
Das chemische Wunder des überhitzten Wassers: Wie wurde es zu einem idealen Lösungsmittel für industrielle Reaktionen?
Überhitztes Wasser ist flüssiges Wasser zwischen 100 °C und 374 °C (705 °F), das unter Druck stabil bleibt und nicht kochen kann. Es wird oft als „unterkritisches Wasser“ oder „überkritisches Wasser“ bezeichnet. Unter Druck stehendes heißes Wasser. Aufgrund seiner besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften hat sich überhitztes Wasser allmählich zu einem idealen Lösungsmittel für industrielle und analytische Anwendungen entwickelt und kann herkömmliche organische Lösungsmittel ersetzen, was große Vorteile für den Umweltschutz mit sich bringt.
Überhitztes Wasser weist bei chemischen Reaktionen viele einzigartige Eigenschaften auf, darunter die Fähigkeit, als Lösungsmittel, Reagenz und Katalysator zu wirken.
Änderungen der Eigenschaften und der Temperatur
Die Eigenschaften des Wassers verändern sich, wenn sich seine Temperatur ändert. Bei überhitztem Wasser ändern sich die Eigenschaften jedoch drastischer als normalerweise zu erwarten wäre. Mit steigender Wassertemperatur verringern sich Viskosität und Oberflächenspannung, während die Diffusionsfähigkeit mit der Temperatur zunimmt. Darüber hinaus nimmt die Autoionisierung von Wasser mit zunehmender Temperatur zu, was zu einem pKw-Wert nahe 11 bei 250 °C führt, was darauf hindeutet, dass sowohl die Wasserstoffionenkonzentration als auch die Hydroxidkonzentration signifikant ansteigen, während der pH-Wert neutral bleibt.
Erklärung des ungewöhnlichen Verhaltens
Wasser ist ein polares Molekül mit Trennung positiver und negativer Ladungszentren, wodurch das Wassermolekül auf elektrische Felder reagieren kann. Das starke Wasserstoffbrückennetzwerk im Wasser schränkt jedoch die Anordnung solcher Moleküle ein. Unter überhitzten Bedingungen führt die kontinuierliche Zerstörung von Wasserstoffbrücken dazu, dass die relative Dielektrizitätskonstante von Wasser erheblich sinkt und dadurch die Fähigkeit des Wassers, Salze zu lösen, abnimmt, jedoch seine Fähigkeit, organische Verbindungen zu lösen, innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs stark zunimmt.
Verbesserte Löslichkeit
Organische Verbindungen
Die Löslichkeit organischer Moleküle in überhitztem Wasser steigt mit steigender Temperatur dramatisch an, teilweise aufgrund einer Änderung der Polarität, die ansonsten unlösliche Substanzen wie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) bei 225 °C löslicher macht. Die Löslichkeit wird erhöht um fünf Größenordnungen, was überhitztes Wasser bei der Verarbeitung organischer Verbindungen vorteilhafter macht als andere Lösungsmittel.
Salze
Obwohl die relative Dielektrizitätskonstante von überhitztem Wasser abnimmt, bleiben viele Salze löslich, bis sie sich dem kritischen Punkt nähern. Beispielsweise erreicht die Löslichkeit von Natriumchlorid bei 300 °C 37 Gewichtsprozent. Bei Annäherung an den kritischen Punkt nimmt die Löslichkeit dieser Salze jedoch stark ab.
Gas
Allgemein gilt, dass die Löslichkeit eines Gases in Wasser mit steigender Temperatur abnimmt. Dies gilt jedoch nicht vor einer bestimmten kritischen Temperatur. Tatsächlich können Gase wie Stickstoff und Sauerstoff ihre Löslichkeit in überhitztem Wasser (über 90 °C) wiederherstellen, was sie für Nassoxidationsprozesse äußerst wertvoll macht.
ÄtzendÜberhitztes Wasser kann korrosiver sein als Wasser bei Raumtemperatur, insbesondere über 300 °C, was den Einsatz spezieller korrosionsbeständiger Legierungsmaterialien erfordert. Einige Berichte deuten jedoch darauf hin, dass Kohlenstoffstahlrohre 20 Jahre lang kontinuierlich bei 282 °C verwendet wurden und dabei nur geringfügige Korrosion auftrat.
Die Auswirkungen von StressUnter 300 °C ist Wasser relativ inkompressibel und Druck hat nur begrenzte Auswirkungen auf seine physikalischen Eigenschaften. Da der Druck von überhitztem Wasser die Extraktionsrate direkt beeinflusst und den Extraktionsprozess von Pflanzenmaterialien sogar beschleunigen kann, bietet überhitztes Wasser großes Potenzial für industrielle Anwendungen.
Energiebedarf
Der Energiebedarf zum Erhitzen von Wasser ist wesentlich geringer als der für die Umwandlung in Dampf, wodurch der Destillationsprozess wirtschaftlicher ist. Um 1.000 kg Wasser von 25 °C auf 250 °C zu erhitzen, ist wesentlich weniger Energie erforderlich als für die Steigerung der Verdunstung.
Extraktion und Reaktion
Überhitztes Wasser eignet sich gut für zahlreiche industrielle Reaktionen und kann Oxidationsprozesse organischer Verbindungen wirksam durchführen. Bei geringem Sauerstoffgehalt bleiben organische Verbindungen in überhitztem Wasser stabil und eignen sich daher ideal für Reaktionen der grünen Chemie.
Chromatographische Analyse
Bei der Umkehrphasen-Flüssigkeitschromatographie wird häufig ein Gemisch aus Wasser und Methanol als mobile Phase verwendet. Durch Umstellung auf überhitztes Wasser ist eine Trennung über einen weiten Temperaturbereich möglich, wodurch gute Analyseergebnisse erzielt werden.
Überhitztes Wasser hat ein unbegrenztes Potenzial und die heutigen Anwendungen sind zweifellos nur die Spitze des Eisbergs. Wie kann sein ökologischer und industrieller Wert in Zukunft weiter gesteigert werden?
