Language
Country/Area
No result found
Sự biến đổi đáng ngạc nhiên của nước quá nhiệt: Tính chất của nó thay đổi như thế nào khi nhiệt độ tăng?
Nước quá nhiệt là nước ở dạng lỏng dưới áp suất ở nhiệt độ giữa điểm sôi thông thường (100°C hoặc 212°F) và nhiệt độ tới hạn (374°C hoặc 705°F). Loại nước này được ổn định bằng quá áp hoặc bằng cách đun nóng nước trong bình kín để duy trì trạng thái lỏng dưới sự cân bằng của áp suất hơi bão hòa. Đặc tính của nó khác biệt đáng kể so với nước trong môi trường áp suất khí quyển. Nghiên cứu cho thấy rằng khi nước được đun nóng đến trạng thái quá nhiệt, nhiều đặc tính bất thường của nó sẽ trải qua những thay đổi đáng ngạc nhiên.
"Liên kết hydro của nước bị phá vỡ trong quá trình đun nóng, làm cho nước bớt phân cực hơn, khiến nước bắt đầu hoạt động giống một dung môi hữu cơ hơn."
Sự thay đổi tính chất của nước quá nhiệt
Khi nhiệt độ nước tăng lên, nước quá nhiệt sẽ có những thay đổi đáng kể về tính chất hơn các chất khác. Độ nhớt và sức căng bề mặt của nước giảm khi nhiệt độ tăng, trong khi độ khuếch tán tăng. Khi nhiệt độ nước tăng, khả năng tự ion hóa của nước cũng sẽ tăng. Giá trị pKw của nó vào khoảng 11 ở 250°C, cho thấy nồng độ của các ion hydro (H3O+) và gốc hydroxyl (OH−) trong nước tăng lên, nhưng độ pH vẫn giữ nguyên ở mức trung tính.
Phân tích hành vi bất thường
Nước là một phân tử phân cực với các điện tích dương và âm được ngăn cách bởi tâm của nó. Khi đun nóng, chuyển động nhiệt của cấu trúc liên kết hydro sẽ phá hủy tính phân cực tổng thể của nước, làm cho độ thấm tương đối của nước giảm khi nhiệt độ tăng. Ở 205°C, hằng số điện môi tương đối giảm xuống còn 33, tương tự như hằng số điện môi của metanol ở nhiệt độ phòng. Hiện tượng này làm cho nước bắt đầu giống hỗn hợp nước-metanol, ảnh hưởng đến độ hòa tan và khả năng phản ứng hóa học của nó.
Độ hòa tan thay đổi
Hợp chất hữu cơ
Khi nhiệt độ tăng, độ hòa tan của các phân tử hữu cơ thường tăng lên đáng kể, một phần do sự thay đổi độ phân cực. Ngoài ra, một số chất được coi là không hòa tan ở nhiệt độ thông thường có thể hòa tan trong nước quá nhiệt. Ví dụ, độ hòa tan của PAH tăng 5 bậc độ lớn ở 25°C so với 225°C.
Muối
Mặc dù độ thấm tương đối giảm, nhiều muối vẫn hòa tan cho đến gần điểm tới hạn. Ví dụ, natri clorua có độ hòa tan lên tới 37% trọng lượng ở 300°C. Tuy nhiên, khi điểm tới hạn đến gần, độ hòa tan của nó giảm đáng kể.
Khí
Độ hòa tan của khí trong nước thường giảm khi nhiệt độ tăng, nhưng lại tăng trở lại sau một nhiệt độ nhất định. Khả năng hòa tan của oxy trong nước quá nhiệt được tăng cường đặc biệt, cho phép ứng dụng nó trong các quá trình oxy hóa ướt.
Tác động ăn mòn
Nước quá nóng trên 300°C có thể ăn mòn mạnh hơn nước ở nhiệt độ phòng. Điều này có nghĩa là trong những điều kiện này, phải đặc biệt cẩn thận trong việc lựa chọn vật liệu thiết bị, thường yêu cầu sử dụng hợp kim chống ăn mòn.
Yêu cầu về năng lượng
Năng lượng cần thiết để làm nóng nước ít hơn đáng kể so với năng lượng cần thiết để làm nước bay hơi, khiến việc sử dụng các bộ trao đổi nhiệt để thu hồi năng lượng trở nên khả thi hơn. Ví dụ, năng lượng cần thiết để làm nóng nước lỏng từ 25°C lên 250°C là khoảng 976 kJ/kg, thấp hơn đáng kể so với 2869 kJ/kg cần thiết để chuyển nó thành hơi nước.
Khai thác và phản ứng hóa học
Nước quá nhiệt được sử dụng rộng rãi trong quá trình chiết xuất và phản ứng hóa học. Ví dụ, nó có thể chiết xuất nhanh chóng và có chọn lọc các thành phần có giá trị từ thực vật và có thể chuyển đổi hóa học một cách hiệu quả các vật liệu hữu cơ thành các sản phẩm nhiên liệu, có ý nghĩa to lớn trong việc bảo vệ môi trường.
Ứng dụng công nghệ sắc ký
Trong sắc ký lỏng hiệu năng cao pha đảo, pha động thường được sử dụng là hỗn hợp metanol-nước. Vì phạm vi phân cực của nước ổn định với sự thay đổi nhiệt độ, điều này cho phép các đặc tính của nó được sử dụng hiệu quả trong quá trình phân tách sắc ký để tách và phân tích các hợp chất hữu cơ khác nhau.
Sự biến đổi các đặc tính của nước quá nhiệt không chỉ cho thấy tiềm năng độc đáo của nước như một dung môi trong khoa học và công nghiệp mà còn khiến chúng ta phải suy nghĩ về cách nước hoạt động trong các điều kiện môi trường khác nhau và tiềm năng sử dụng của nó có thể ảnh hưởng đến các công nghệ trong tương lai như thế nào Và sự bền vững về môi trường?
