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La transformation surprenante de l'eau surchauffée : comment ses propriétés évoluent-elles à mesure que la température augmente ?
L'eau surchauffée est de l'eau liquide sous pression à une température comprise entre son point d'ébullition normal (100°C ou 212°F) et sa température critique (374°C ou 705°F). Ce type d'eau est stabilisé par surpression ou en chauffant de l'eau dans un récipient fermé pour maintenir un état liquide sous l'équilibre de la pression de vapeur saturée. Ses caractéristiques sont très différentes de celles de l'eau dans un environnement à pression atmosphérique. La recherche montre que lorsque l’eau est chauffée jusqu’à un état surchauffé, bon nombre de ses propriétés inhabituelles subissent des changements surprenants.
"Les liaisons hydrogène de l'eau sont rompues pendant le processus de chauffage, ce qui rend l'eau moins polaire, ce qui fait qu'elle commence à se comporter davantage comme un solvant organique."
Modifications des propriétés de l'eau surchauffée
À mesure que la température de l'eau augmente, l'eau surchauffée présente des changements de propriétés plus importants que les autres substances. La viscosité et la tension superficielle de l'eau diminuent avec l'augmentation de la température, tandis que la diffusivité augmente. Lorsque la température de l'eau augmente, l'auto-ionisation de l'eau augmente également. Sa valeur pKw est d'environ 11 à 250°C, ce qui montre que la concentration d'ions hydrogène (H3O+) et de radicaux hydroxyles (OH−) dans l'eau augmente, mais le pH reste le même. Maintenir à neutre.
Analyse des comportements anormaux
L'eau est une molécule polaire avec des charges positives et négatives séparées au centre. Lorsqu'elle est chauffée, le mouvement thermique de la structure liée à l'hydrogène détruit la polarité globale de l'eau, provoquant une diminution de la constante diélectrique relative de l'eau à mesure que la température augmente. À 205°C, la constante diélectrique relative chute à 33, similaire à celle du méthanol à température ambiante. Ce phénomène fait que l’eau commence à ressembler à un mélange eau-méthanol, affectant sa solubilité et sa réactivité chimique.
Changements de solubilité
Composés organiques
À mesure que la température augmente, la solubilité des molécules organiques augmente souvent de manière significative, en partie à cause des changements de polarité. De plus, certaines substances considérées comme insolubles aux températures conventionnelles peuvent devenir solubles dans l'eau surchauffée. Par exemple, la solubilité des HAP augmente de cinq ordres de grandeur à 25°C par rapport à 225°C.
Sels
Malgré une diminution de la permittivité relative, de nombreux sels restent solubles jusqu'à ce qu'ils soient proches du point critique. Par exemple, le chlorure de sodium a une solubilité allant jusqu'à 37 % en poids à 300°C. Cependant, à mesure que le point critique approche, sa solubilité diminue considérablement.
Gaz
La solubilité des gaz dans l'eau diminue généralement à mesure que la température augmente, mais augmente à nouveau après une certaine température. La solubilité de l'oxygène dans l'eau surchauffée est particulièrement améliorée, ce qui permet son application dans les processus d'oxydation humide.
Effets corrosifs
L'eau surchauffée au-dessus de 300°C peut être plus corrosive que l'eau à température ambiante. Cela signifie que dans ces conditions, un soin particulier doit être apporté au choix des matériaux des équipements, nécessitant souvent l'utilisation d'alliages résistant à la corrosion.
Besoins énergétiques
L'énergie nécessaire pour chauffer l'eau est nettement inférieure à l'énergie nécessaire pour l'évaporer, ce qui rend l'utilisation d'échangeurs de chaleur pour récupérer de l'énergie plus réalisable. Par exemple, l’énergie nécessaire pour chauffer de l’eau liquide de 25°C à 250°C est d’environ 976 kJ/kg, ce qui est nettement inférieur aux 2 869 kJ/kg nécessaires pour la convertir en vapeur.
Extraction et réactions chimiques
L'eau surchauffée est largement utilisée dans les processus d'extraction et de réaction chimique. Par exemple, il peut extraire rapidement et sélectivement des composants précieux des plantes et convertir chimiquement efficacement les matières organiques en produits combustibles, ce qui revêt une grande importance pour la protection de l'environnement.
Application de la technologie de chromatographie
En chromatographie liquide haute performance en phase inversée, une phase mobile couramment utilisée est un mélange méthanol-eau. Étant donné que la plage de polarité de l’eau est stable avec les changements de température, cela permet d’utiliser efficacement ses propriétés dans les séparations chromatographiques pour la séparation et l’analyse de divers composés organiques.
La transformation des propriétés de l'eau surchauffée révèle non seulement le potentiel unique de l'eau en tant que solvant dans la science et l'industrie, mais nous incite également à réfléchir à la manière dont l'eau se comporte dans diverses conditions environnementales et à la manière dont ses utilisations potentielles peuvent affecter les technologies futures. .Et la durabilité environnementale ?
