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過熱水の化学的奇跡：それがどのようにして工業反応の理想的な溶媒になったのか？
過熱水は、圧力下でも安定し、沸騰しない 100°C から 374°C (705°F) の液体の水で、「亜臨界水」または「超臨界水」と呼ばれることもあります。加圧された熱水です。過熱水は、その特殊な物理的および化学的性質により、徐々に工業および分析用途の理想的な溶媒となり、従来の有機溶媒に取って代わることができ、環境保護に大きな利益をもたらします。
過熱水は、溶媒、試薬、触媒として機能する能力など、化学反応において多くのユニークな特性を示します。
特性と温度の変化
水の性質は温度が変化すると変化しますが、過熱された水は通常予想されるよりも劇的に変化します。水の温度が上昇すると、粘度と表面張力は低下しますが、拡散率は温度とともに増加します。さらに、水の自動イオン化は温度の上昇とともに増加し、250 °C で pKw が 11 に近くなります。これは、pH が中性のままで水素イオン濃度と水酸化物濃度の両方が大幅に増加することを示しています。
異常な行動の説明
水は正電荷中心と負電荷中心が分離した極性分子であり、これにより水分子は電界に反応することができます。しかし、水中の強力な水素結合ネットワークは、そのような分子の配置を制限します。過熱状態では、水素結合が継続的に破壊されるため、水の比誘電率が大幅に低下し、塩を溶かす能力が低下しますが、特定の温度範囲内で有機化合物を溶かす能力は大幅に向上します。
溶解性の向上
有機化合物
過熱水中の有機分子の溶解度は、温度の上昇とともに劇的に増加します。これは、極性の変化により、多環芳香族炭化水素（PAH）などの通常は不溶性の物質が225°Cでより溶解しやすくなるためです。溶解度は5 桁もの違いがあり、有機化合物を処理する際に過熱水は他の溶媒よりも有利になります。
塩
過熱された水の比誘電率は減少しますが、多くの塩は臨界点に近づくまで溶解したままになります。例えば、300℃での塩化ナトリウムの溶解度は37重量％に達します。しかし、臨界点に近づくと、これらの塩の溶解度は急激に低下します。
ガス
一般的に言えば、水に対するガスの溶解度は温度が上昇するにつれて低下しますが、これはある臨界温度に達する前では当てはまりません。実際、窒素や酸素などのガスは、90°C を超える過熱水中で溶解度を取り戻すことができるため、湿式酸化プロセスに非常に役立ちます。
腐食性過熱水は、特に 300°C を超えると常温の水よりも腐食性が強くなるため、特殊な耐腐食合金材料を使用する必要があります。しかしながら、炭素鋼管は 282°C で 20 年間継続して使用され、わずかな腐食しか見られなかったという報告もあります。
ストレスの影響300°C 未満では、水は比較的圧縮されにくくなり、圧力が水の物理的特性に与える影響は限定的になります。過熱水の圧力は抽出率に直接影響し、植物材料の抽出プロセスを加速することさえできるため、過熱水は産業用途に大きな可能性を秘めています。
エネルギー要件
水を加熱するために必要なエネルギーは、水を蒸気に変換するのに必要なエネルギーよりも大幅に低いため、蒸留プロセスではより経済的になります。 1000 kg の水の場合、それを 25°C から 250°C に加熱するために必要なエネルギーは、蒸発を増加させるのに必要なエネルギーよりもはるかに少ないです。
抽出と反応
過熱水はさまざまな工業反応に適しており、有機化合物の酸化プロセスを効果的に実行できます。酸素が少ない場合、有機化合物は過熱水中で安定した状態を保つため、グリーンケミストリー反応に最適です。
クロマトグラフィー分析
逆相液体クロマトグラフィーでは、移動相として水とメタノールの混合物がよく使用されます。過熱水に切り替えると、広い温度範囲で分離が可能になり、良好な分析結果が得られます。
過熱水には無限の可能性があり、今日の応用は間違いなく氷山の一角にすぎません。今後、その環境的価値と産業的価値をどのようにさらに拡大していくのでしょうか。
