زنگ تفریح 245
تقریبا هر چیزی که امروزه تولید می‌کنیم – پلاستیک‌ها، داروها، پارچه‌های مصنوعی – توسط چند فرایند شیمیایی و فرایندهای دیگر تولید می‌شوند. بسیاری از این فرایندها نیازمند به حلال‌های آلی هستند مانند بنزن یا استون، که این حلال‌های آلوده‌کننده‌ی محیط زیست هستند. تصور کنید که چقدر خوب می‌شد اگر می‌توانستیم این محصولات را تولید کنیم بدون اینکه از حلال‌های آلوده کننده استفاده کنیم!
مایعات فوق بحرانی
 |
| نمودار فازی آب |
یک مایع فوق بحرانی یک حالت ویژه از ماده است که در بالای نقطه‌ی بحرانی قرار دارد. برای آب، این نقطه دمای 374oC است. در این دما، آب بسیاری از خواص ویژه‌ای که در حالت مایع دارا می‌باشد را از دست می‌دهد، مانند پیوند هیدروژنی و دفع مواد غیر قطبی.
البته خیلی سریع داریم پیش می‌رویم و بهتر است که ابتدا برگردیم و نقطه بحرانی را تعریف کنیم.
یک گوی شیشه‌ای نشکن را تصور کنید، که تا نصفه پر از آب است، و مابقی گوی خلاء می‌باشد. بعضی از فضاهای خالی با بخار آب پر می‌شود. حال بیایید این گوی را حرارت دهیم. با جوشیدن آب، بخار تشکیل می‌شود. با افزایش بخار، چگالی آب کاهش می‌یابد. با ادامه حرارت دادن، در یک نقطه، چگالی آب برابر با چگالی بخار می‌شود. ان دما دمای بحرانی نامیده می‌شود. در این دما هر دو حالات مایع و گاز در یک حالت به نام حالت آّب فوق بحرانی (SCW) یکی می‌شوند.
در ویدئوی زیر این اتفاق را مشاهده می‌کنید.
واکنش‌های آب فوق بحرانی
حال می‌خواهیم دلیل تفاوت آب فوق بحرانی را درک کنیم. در فاز مایع، آب پیوندهای هیدروژنی زیادی بین مولکول‌هایش تشکیل می‌دهد. این نوع پیوندها دلیل افزایش حجم آب در صورت منجمد شدن می‌باشند. با حرارت دادن آب، جنبش مولکول‌ها زیاد شده و این پیوندها شکسته می‌شوند. در نقطه بحرانی این پیوندها بطور کامل ناپدید می‌شوند.
بسیاری از مواد شیمیایی که برای تولید پلاستیک‌ها، داروها و غیره استفاده می‌شوند در آب نامحلول هستند زیرا پیوندهای هیدروژنی به آب اجازه نمی‌دهند با مولکول‌های این مواد مخلوط شود. به این دلیل این مواد باید در حلال‌هایی نظیر بنزن یا استون حل شوند. اما، وقتی پیوندهای هیدروژنی شکسته می‌شوند، مولکول‌های آب می‌توانند این مواد شیمیایی را که در آب نامحلول هستند را در خود حل کنند. حال شما فکر می‌کنید، که چرا از SCW بعنوان حلال به جای بنزن و استون استفاده نمی‌شود؟ خب، دانشمندان زیادی نیز در این باره فکر کرده‌اند.
استفاده از آب فوق بحرانی
بعضی از کارخانه‌ها که شروع به ساخت استوفنون (acetophenone) کردند، از SCW بعنوان حلال استفاده می‌کردند. استوفنون یک مولکول پیش ماده است که برای تولید بسیاری از داروها و عطرها استفاده می‌شود. یکی دیگر از واکنش‌های مهمی که توسط SCW بعنوان حلال انجام می‌شود، تجزیه تری‌گلیسیرید (که معمولا در چربی حیوانی و گیاهی یافت می‌شود) به گلیسیرین و اسیدهای چرب است. اسیدهای چرب در تولید صابون و بیودیزل استفاده می‌شوند. این ماده همچنین بعنوان یک جزء تشکیل دهنده‌ی بخار در نیروگاه‌های حرارتی در نظر گرفته می‌شود.
حالت فوق بحرانی کربن دی‌اکسید نیز بسیار پرکاربرد است. از این ماده امروزه در تولید پودر بدون کافئین قهوه و برای ساخت مواد نانو استفاده می‌شود. زمانیکه خود شما دانشمند شوید، ما مطمئن هستیم که یک استفاده‌ی مهم برای مواد فوق بحرانی پیدا می‌کنید!