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La sorprendente trasformazione dell'acqua surriscaldata: come cambiano le sue proprietà all'aumentare della temperatura?
L'acqua surriscaldata è acqua liquida sotto pressione a una temperatura compresa tra il punto di ebollizione normale (100°C o 212°F) e la sua temperatura critica (374°C o 705°F). Questo tipo di acqua viene stabilizzata mediante sovrapressione o riscaldando l'acqua in un contenitore chiuso per mantenere uno stato liquido sotto l'equilibrio della pressione del vapore saturo. Le sue caratteristiche sono significativamente diverse dall'acqua in un ambiente a pressione atmosferica. La ricerca mostra che quando l’acqua viene riscaldata fino a raggiungere uno stato surriscaldato, molte delle sue proprietà insolite subiscono cambiamenti sorprendenti.
"I legami idrogeno dell'acqua si rompono durante il processo di riscaldamento, rendendo l'acqua meno polare, il che fa sì che l'acqua inizi a comportarsi più come un solvente organico."
Cambiamenti nelle proprietà dell'acqua surriscaldata
All'aumentare della temperatura dell'acqua, l'acqua surriscaldata mostra cambiamenti di proprietà più significativi rispetto ad altre sostanze. La viscosità e la tensione superficiale dell'acqua diminuiscono con l'aumentare della temperatura, mentre aumenta la diffusività. Quando la temperatura dell'acqua aumenta, aumenterà anche l'autoionizzazione dell'acqua. Il suo valore pKw è di circa 11 a 250°C, dimostrando che la concentrazione di ioni idrogeno (H3O+) e radicali idrossilici (OH−) nell'acqua aumenta, ma. il pH rimane lo stesso. Mantenere neutro.
Analisi del comportamento anomalo
L'acqua è una molecola polare con cariche positive e negative separate al centro. Quando riscaldato, il movimento termico della struttura legata all'idrogeno distrugge la polarità complessiva dell'acqua, provocando una diminuzione della costante dielettrica relativa dell'acqua all'aumentare della temperatura. A 205°C la costante dielettrica relativa scende a 33, simile a quella del metanolo a temperatura ambiente. Questo fenomeno fa sì che l'acqua inizi ad assomigliare a una miscela acqua-metanolo, influenzandone la solubilità e la reattività chimica.
Cambiamenti di solubilità
Composti organici
All'aumentare della temperatura, la solubilità delle molecole organiche spesso aumenta in modo significativo, in parte a causa dei cambiamenti di polarità. Inoltre, alcune sostanze considerate insolubili alle temperature convenzionali possono diventare solubili in acqua surriscaldata. Ad esempio, la solubilità degli IPA aumenta di cinque ordini di grandezza a 25°C rispetto a 225°C.
Sali
Nonostante una diminuzione della permettività relativa, molti sali rimangono solubili fino al punto critico. Ad esempio, il cloruro di sodio ha una solubilità fino al 37% in peso a 300°C. Tuttavia, man mano che si avvicina il punto critico, la sua solubilità diminuisce notevolmente.
Gas
La solubilità dei gas nell'acqua solitamente diminuisce all'aumentare della temperatura, ma aumenta nuovamente dopo una certa temperatura. La solubilità dell'ossigeno nell'acqua surriscaldata è particolarmente migliorata, consentendone l'applicazione nei processi di ossidazione a umido.
Effetti corrosivi
L'acqua surriscaldata a una temperatura superiore a 300°C può essere più corrosiva dell'acqua a temperatura ambiente. Ciò significa che in queste condizioni è necessario prestare particolare attenzione nella scelta dei materiali delle apparecchiature, spesso richiedendo l'uso di leghe resistenti alla corrosione.
Fabbisogno energetico
L'energia necessaria per riscaldare l'acqua è significativamente inferiore all'energia necessaria per evaporarla, rendendo più fattibile l'uso di scambiatori di calore per recuperare energia. Ad esempio, l’energia richiesta per riscaldare l’acqua liquida da 25°C a 250°C è di circa 976 kJ/kg, che è significativamente inferiore ai 2869 kJ/kg necessari per convertirla in vapore.
Estrazione e reazioni chimiche
L'acqua surriscaldata è ampiamente utilizzata nei processi di estrazione e reazione chimica. Ad esempio, può estrarre rapidamente e selettivamente componenti preziosi dalle piante e può convertire chimicamente in modo efficace materiali organici in prodotti combustibili, il che è di grande importanza per la protezione dell'ambiente.
Applicazione della tecnologia cromatografica
Nella cromatografia liquida ad alte prestazioni a fase inversa, una fase mobile comunemente utilizzata è una miscela metanolo-acqua. Poiché l'intervallo di polarità dell'acqua è stabile al variare della temperatura, ciò consente di utilizzare efficacemente le sue proprietà nelle separazioni cromatografiche per la separazione e l'analisi di vari composti organici.
La trasformazione delle proprietà dell'acqua surriscaldata non solo rivela il potenziale unico dell'acqua come solvente nella scienza e nell'industria, ma ci spinge anche a pensare a come si comporta l'acqua in varie condizioni ambientali e a come i suoi potenziali usi potrebbero influenzare le tecnologie future E la sostenibilità ambientale?
