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Die überraschende Umwandlung von überhitztem Wasser: Wie verändern sich seine Eigenschaften mit steigender Temperatur?
Überhitztes Wasser ist flüssiges Wasser unter Druck bei einer Temperatur zwischen seinem regulären Siedepunkt (100 °C oder 212 °F) und seiner kritischen Temperatur (374 °C oder 705 °F). Diese Art von Wasser wird durch Überdruck oder durch Erhitzen von Wasser in einem geschlossenen Behälter stabilisiert, um unter dem Gleichgewicht des gesättigten Dampfdrucks einen flüssigen Zustand aufrechtzuerhalten. Seine Eigenschaften unterscheiden sich erheblich von Wasser in einer Umgebung mit atmosphärischem Druck. Untersuchungen zeigen, dass viele seiner ungewöhnlichen Eigenschaften überraschende Veränderungen erfahren, wenn Wasser auf einen überhitzten Zustand erhitzt wird.
„Die Wasserstoffbrückenbindungen des Wassers werden während des Erhitzungsprozesses aufgebrochen, wodurch das Wasser weniger polar wird, was dazu führt, dass sich das Wasser eher wie ein organisches Lösungsmittel verhält.“
Änderungen der Eigenschaften von überhitztem Wasser
Mit steigender Wassertemperatur zeigt überhitztes Wasser stärkere Eigenschaftsänderungen als andere Stoffe. Die Viskosität und Oberflächenspannung von Wasser nehmen mit steigender Temperatur ab, während die Diffusionsfähigkeit zunimmt. Wenn die Wassertemperatur steigt, nimmt auch die Selbstionisierung des Wassers zu. Sein pKW-Wert liegt bei etwa 11 bei 250 °C, was zeigt, dass die Konzentration von Wasserstoffionen (H3O+) und Hydroxylradikalen (OH−) im Wasser zunimmt Der pH-Wert bleibt gleich.
Analyse von abnormalem Verhalten
Wasser ist ein polares Molekül mit positiven und negativen Ladungen, die durch sein Zentrum getrennt sind. Beim Erhitzen zerstört die thermische Bewegung der wasserstoffgebundenen Struktur die Gesamtpolarität des Wassers, wodurch die relative Permittivität des Wassers mit steigender Temperatur abnimmt. Bei 205 °C sinkt die relative Dielektrizitätskonstante auf 33, ähnlich der von Methanol bei Raumtemperatur. Dieses Phänomen führt dazu, dass das Wasser einer Wasser-Methanol-Mischung ähnelt, was sich auf seine Löslichkeit und chemische Reaktivität auswirkt.
Löslichkeitsänderungen
Organische Verbindungen
Mit steigender Temperatur nimmt die Löslichkeit organischer Moleküle oft erheblich zu, teilweise aufgrund von Polaritätsänderungen. Darüber hinaus können bestimmte Substanzen, die bei herkömmlichen Temperaturen als unlöslich gelten, in überhitztem Wasser löslich werden. Beispielsweise erhöht sich die Löslichkeit von PAKs bei 25 °C im Vergleich zu 225 °C um fünf Größenordnungen.
Salze
Trotz einer Abnahme der relativen Permittivität bleiben viele Salze bis in die Nähe des kritischen Punktes löslich. Beispielsweise hat Natriumchlorid bei 300 °C eine Löslichkeit von bis zu 37 Gew.-%. Wenn man sich jedoch dem kritischen Punkt nähert, nimmt seine Löslichkeit deutlich ab.
Gas
Die Löslichkeit von Gasen in Wasser nimmt normalerweise mit steigender Temperatur ab, steigt aber ab einer bestimmten Temperatur wieder an. Die Löslichkeit von Sauerstoff in überhitztem Wasser wird besonders verbessert, was den Einsatz in Nassoxidationsprozessen ermöglicht.
Korrosive Wirkung
Überhitztes Wasser über 300 °C kann korrosiver sein als Wasser mit Raumtemperatur. Dies bedeutet, dass unter diesen Bedingungen besondere Sorgfalt bei der Auswahl der Ausrüstungsmaterialien erforderlich ist und häufig der Einsatz korrosionsbeständiger Legierungen erforderlich ist.
Energiebedarf
Die zum Erhitzen von Wasser erforderliche Energie ist deutlich geringer als die zum Verdampfen erforderliche Energie, wodurch der Einsatz von Wärmetauschern zur Energierückgewinnung sinnvoller ist. Beispielsweise beträgt die Energie, die zum Erhitzen von flüssigem Wasser von 25 °C auf 250 °C benötigt wird, etwa 976 kJ/kg, was deutlich weniger ist als die 2869 kJ/kg, die für die Umwandlung in Dampf erforderlich sind.
Extraktion und chemische Reaktionen
Überhitztes Wasser wird häufig bei Extraktions- und chemischen Reaktionsprozessen verwendet. So lassen sich beispielsweise schnell und selektiv wertvolle Bestandteile aus Pflanzen extrahieren und organische Stoffe effektiv chemisch in Treibstoffprodukte umwandeln, was für den Umweltschutz von großer Bedeutung ist.
Anwendung der Chromatographie-Technologie
Bei der Umkehrphasen-Hochleistungsflüssigkeitschromatographie ist eine häufig verwendete mobile Phase ein Methanol-Wasser-Gemisch. Da der Polaritätsbereich von Wasser bei Temperaturänderungen stabil ist, können seine Eigenschaften bei chromatographischen Trennungen zur Trennung und Analyse verschiedener organischer Verbindungen effektiv genutzt werden.
Die Veränderung der Eigenschaften von überhitztem Wasser offenbart nicht nur das einzigartige Potenzial von Wasser als Lösungsmittel in Wissenschaft und Industrie, sondern regt uns auch dazu an, darüber nachzudenken, wie sich Wasser unter verschiedenen Umweltbedingungen verhält und wie sich seine möglichen Verwendungsmöglichkeiten auf zukünftige Technologien auswirken könnten . Und ökologische Nachhaltigkeit?
