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El milagro químico del agua sobrecalentada: ¿cómo se convirtió en un disolvente ideal para reacciones industriales?
El agua sobrecalentada es agua líquida a una temperatura entre 100 °C y 374 °C (705 °F) que permanece estable bajo presión y no puede hervir; a menudo se la denomina "agua subcrítica" o "agua supercrítica". Agua caliente presurizada. Debido a sus propiedades físicas y químicas especiales, el agua sobrecalentada se ha convertido gradualmente en un solvente ideal para aplicaciones industriales y analíticas, y puede reemplazar a los solventes orgánicos tradicionales, lo que traerá grandes beneficios a la protección del medio ambiente.
El agua sobrecalentada exhibe muchas propiedades únicas en las reacciones químicas, incluida la capacidad de actuar como solvente, reactivo y catalizador.
Cambios en las propiedades y la temperatura
Las propiedades del agua cambian a medida que cambia su temperatura, pero el agua sobrecalentada cambia más drásticamente de lo que normalmente se esperaría. A medida que aumenta la temperatura del agua, la viscosidad y la tensión superficial disminuyen, mientras que la difusividad aumenta con la temperatura. Además, la autoionización del agua aumenta con el aumento de la temperatura, lo que da como resultado un pKw cercano a 11 a 250 °C, lo que indica que tanto la concentración de iones de hidrógeno como la concentración de hidróxido aumentan significativamente mientras que el pH permanece neutro.
Explicación del comportamiento inusual
El agua es una molécula polar con separación de centros de carga positiva y negativa, lo que permite que la molécula de agua responda a los campos eléctricos. Sin embargo, la fuerte red de enlaces de hidrógeno en el agua restringe la disposición de dichas moléculas. En condiciones de sobrecalentamiento, la destrucción continua de enlaces de hidrógeno hace que la constante dieléctrica relativa del agua disminuya significativamente, lo que reduce su capacidad para disolver sales, pero aumenta enormemente su capacidad para disolver compuestos orgánicos dentro de un cierto rango de temperatura.
Mejora de la solubilidad
Compuestos orgánicos
La solubilidad de las moléculas orgánicas en agua sobrecalentada aumenta drásticamente con el aumento de la temperatura, en parte debido a un cambio en la polaridad que hace que las sustancias que de otro modo serían insolubles, como los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), sean más solubles a 225 °C. La solubilidad aumenta en cinco órdenes de magnitud, lo que hace que el agua sobrecalentada sea más ventajosa que otros disolventes al procesar compuestos orgánicos.
Sales
Aunque la constante dieléctrica relativa del agua sobrecalentada disminuye, muchas sales permanecen solubles hasta que se acercan al punto crítico. Por ejemplo, la solubilidad del cloruro de sodio a 300 °C alcanza el 37 % en peso. Sin embargo, al acercarse al punto crítico, la solubilidad de estas sales disminuye drásticamente.
Gas
En términos generales, la solubilidad de un gas en agua disminuye a medida que aumenta la temperatura, pero esto no es cierto antes de una temperatura crítica. De hecho, gases como el nitrógeno y el oxígeno pueden recuperar su solubilidad en agua sobrecalentada por encima de los 90 °C, lo que los hace extremadamente valiosos para los procesos de oxidación húmeda. CorrosivoEl agua sobrecalentada puede ser más corrosiva que el agua a temperatura ambiente, especialmente por encima de 300 °C, lo que requiere el uso de materiales de aleación especiales resistentes a la corrosión. Sin embargo, algunos informes indican que las tuberías de acero al carbono se han utilizado continuamente durante 20 años a 282 °C con solo una corrosión menor.
El impacto del estrésPor debajo de 300 °C, el agua es relativamente incompresible y la presión tiene un efecto limitado sobre sus propiedades físicas. Dado que la presión del agua sobrecalentada afecta directamente la tasa de extracción e incluso puede acelerar el proceso de extracción de materiales vegetales, el agua sobrecalentada tiene un gran potencial para aplicaciones industriales.
Requerimientos energéticos
Los requerimientos de energía para calentar agua son significativamente menores que los necesarios para convertirla en vapor, lo que hace que el proceso de destilación sea más económico. Para 1000 kg de agua, la energía necesaria para calentarla de 25 °C a 250 °C es mucho menor que la necesaria para aumentar la evaporación.
Extracción y reacción
El agua sobrecalentada funciona bien en una variedad de reacciones industriales y puede llevar a cabo eficazmente procesos de oxidación de compuestos orgánicos. En presencia de poco oxígeno, los compuestos orgánicos permanecen estables en agua sobrecalentada, lo que los hace ideales para las reacciones de química verde.
Análisis cromatográficoEn la cromatografía líquida de fase reversa, se suele utilizar una mezcla de agua y metanol como fase móvil. El cambio a agua sobrecalentada permite la separación en un amplio rango de temperaturas, lo que permite obtener buenos resultados analíticos.
El agua sobrecalentada tiene un potencial ilimitado y las aplicaciones actuales son, sin duda, sólo la punta del iceberg. ¿Cómo se puede ampliar aún más su valor ambiental e industrial en el futuro?
