9.10: Agua Supercrítica

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A temperaturas superiores a 374.4° C y una presión extremadamente alta de al menos 217.7 atm (217.7×presión atmosférica normal) la distinción entre agua líquida y vapor desaparece y el agua entra en un estado físico especial llamado fluido supercrítico. Como fluido supercrítico, el agua ya no tiene la abundancia de enlaces de hidrógeno que le dan al agua líquida sus propiedades especiales y que la convierten en un disolvente tan bueno para materiales iónicos; en cambio, se convierte en un buen disolvente para materiales orgánicos. Las propiedades del agua supercrítica se pueden cambiar en un amplio rango variando la temperatura y la presión y se pueden lograr condiciones en las que el agua es completamente miscible con compuestos no polares manteniendo su capacidad para solubilizar iones y especies polares. Variar la presión sobre el agua supercrítica puede cambiar su densidad continuamente de gas a líquido con una variación correspondiente en las propiedades del fluido. Si bien las condiciones requeridas para mantener el agua como fluido supercrítico son muy severas y requieren equipos especiales, su capacidad para sustituir disolventes orgánicos hace que el agua supercrítica sea muy útil para varios propósitos, como un medio para reacciones de síntesis orgánica. Incluso cuando se comprime a una densidad igual a la del agua líquida, el agua supercrítica tiene una viscosidad baja. Esto es importante para los procesos químicos porque aumenta la transferencia de masa y las velocidades de difusión en procesos controlados por difusión.

El agua supercrítica tiene un enorme potencial como medio solvente y material catalítico para reacciones químicas. Su alta temperatura es propicia para la pirólisis, promueve la hidrólisis de compuestos en los que las moléculas se escinden con adición de H ₂ O, y en presencia de O ₂ y otros oxidantes es un medio fuertemente oxidante. El ajuste cuidadoso de la temperatura, la presión y los niveles de oxidante permite que el agua supercrítica facilite la oxidación parcial de materiales orgánicos como la oxidación parcial del metano para producir metanol:

\[\ce{CH4 + 1/2 O2 \rightarrow CH3OH}\]

Mientras que el metano debe moverse por tubería o como un líquido criogénico extremadamente frío, lo cual es difícil de hacer desde algunas de las regiones remotas donde se encuentra gas natural, el metano convertido en metanol líquido puede enviarse en grandes petroleros y usarse como combustible para motores o en celdas de combustible.

El oxígeno, al igual que otros gases inorgánicos comunes, es completamente miscible con el agua supercrítica bajo presiones extremas, lo que aumenta su capacidad de actuar como oxidante en la síntesis química y la destrucción de desechos. El agua supercrítica es un excelente medio en el que usar oxígeno molecular disuelto para oxidar desechos orgánicos incluyendo compuestos clorados a dióxido de carbono, agua y haluros inorgánicos (ion cloruro). El proceso se ve facilitado por la capacidad del agua supercrítica bajo ciertas condiciones para actuar como un buen disolvente para desechos orgánicos como los bifenilos policlorados (PCB).

Bajo las condiciones extremas de presión y temperatura de alrededor de 30 km en la geosfera es probable que el agua sea supercrítica. En presencia de agua supercrítica a estas profundidades, los minerales pueden comportarse de manera muy diferente en comparación con sus comportamientos en condiciones normales, especialmente con respecto a su comportamiento de disolución y precipitación. También hay evidencia que sugiere que los procesos químicos pueden formar metano bajo estas condiciones conduciendo a una vía no biológica para la formación de hidrocarburos.