Сверхкритические жидкости правильнее сверхкритические флюиды четвертая форма

Сверхкритические жидкости правильнее, сверхкритические флюиды – четвертая форма агрегатного состояния вещества, в которую способны переходить многие органические и неорганические вещества при достижении определенной температуры и давления. Впервые сверхкритическое состояние вещества обнаружил Каньяр де ла Тур в 1822 г. , нагревая различные жидкости в наглухо закрытом металлическом шаре (шаровая форма была выбрана, чтобы сосуд мог выдержать максимально возможное давление). Внутрь шара, помимо жидкости, он помещал простейший датчик – небольшой камешек. Потряхивая шар в процессе нагревания, Каньяр де ла Тур установил, что звук, издаваемый камешком при столкновении со стенкой шара, в определенный момент резко меняется – становится глухим и более слабым. Для каждой жидкости это происходило при строго определенной температуре, которую стали именовать точкой Каньяра де ла Тура.

Опыты Эндрюса Настоящий интерес к новому явлению возник 1869 после экспериментов Т. Эндрюса. Проводя опыты в толстостенных стеклянных трубках, он исследовал свойства CO 2, легко сжижающегося при повышении давления. В результате он установил, что при 31 °С и 7, 2 Мпа, мениск – граница, разделяющая жидкость и пространство, заполненное газом, исчезает и весь объем равномерно заполняется молочно-белой опалесцирующей жидкостью. При дальнейшем повышении температуры она быстро становится прозрачной и подвижной, состоящей из постоянно перетекающих струй, напоминающих потоки теплого воздуха над нагретой поверхностью. Дальнейшее повышение температуры и давления не приводило к видимым изменениям. Точку, в которой происходит такой переход, он назвал критической, а состояние вещества, находящегося выше этой точки – сверхкритическим. Несмотря на то, что внешне оно напоминает жидкость, в применении к нему сейчас используется специальный термин – сверхкритический флюид

Давление насыщения Почему характер звука резко меняется? Критическая температура. Если некоторое количество жидкости поместить в закрытый сосуд, то часть жидкости испарится и над жидкостью будет находиться насыщенный пар. Давление (давление насыщения), а следовательно, и плотность этого пара зависят от температуры. Плотность пара обычно значительно меньше плотности жидкости при той же температуре. Если повысить температуру, то плотность жидкости уменьшится , давление же и плотность насыщенного пара возрастут.

Свойства воды

Свойства воды-2 Эти же данные представлены в виде графика При температуре, соответствующей точке К, плотности жидкости и насыщенного пара совпадают. Верхняя часть графика АК показывает изменение плотности жидкости в зависимости от ее температуры. При повышении температуры плотность жидкости уменьшается. Нижняя часть графика ВК показывает зависимость плотности насыщенного пара от температуры. Плотность пара увеличивается.

Критическая температура Чем выше температура, тем меньше разница между плотностью жидкости и плотностью ее насыщенного пара. При некоторой температуре (у воды при 374 °С) эти плотности совпадают. Температуру, при которой плотности жидкости и ее насыщенного пара совпадают, называют критической температурой данного вещества. Давление, соответствующее точке К, называют критическим давлением. Критические температуры различных веществ сильно разнятся между собой. Некоторые из них приведены в табл.

Критические параметры некоторых в-в

Критические параметры углеводородов

Загадка На что указывает существование критической температуры? Что будет при еще более высоких температурах?

Разгадка частичная Опыт показывает, что при температурах, более высоких чем критическая, вещество может находиться только в газообразном состоянии. Если мы будем уменьшать объем, занятый паром, при температуре выше критической, то давление пара возрастает, но он не становится насыщенным и продолжает оставаться однородным: как бы велико ни было давление, мы не обнаружим двух состояний, разделенных резкой границей, как это всегда наблюдается при более низких температурах вследствие конденсации пара. Итак, если температура какого-нибудь вещества выше критической, то равновесие вещества в виде жидкости и соприкасающегося с ней пара невозможно ни при каком давлении.

Опыт Критическое состояние вещества можно наблюдать при помощи изображенного прибора. Он состоит из железной коробки с окнами, которую можно нагревать выше 200 °С ( «воздушная баня» ), и находящейся внутри бани стеклянной ампулы с эфиром. При нагревании бани мениск в ампуле поднимается, делается более плоским и, наконец, исчезает, что и свидетельствует о переходе через критическое состояние *). При охлаждении бани ампула внезапно мутнеет вследствие образования множества мельчайших капелек эфира, после чего эфир собирается в нижней части ампулы. *) см. следующий слайд Рис. Прибор для наблюдения критического сосостояния эфира

Критическая масса Необходимо, конечно, подобрать такое количество эфира, при котором наступает критическое состояние, т. е. при критической температуре давление паров достигает критического значения. При недостаточном количестве эфира он весь испарится, не давая нужного давления: мениск постепенно понизится до дна ампулы. При излишнем количестве эфира он расширится и заполнит всю ампулу ранее достижения критической температуры.

Сжижение кислорода и водорода После открытия критической температуры стало понятно, почему долго не удавалось превратить в жидкость такие газы, как кислород или водород. Их критическая температура очень низка (см. табл. ранее). Чтобы превратить эти газы в жидкость, их нужно охладить ниже критической температуры. Без этого все попытки их сжижения обречены на неудачу.

Критическая точка

Критическая точка-2 Расположение линий, разграничивающих области газообразного, жидкого и твердого состояния, а также положение тройной точки, где сходятся эти три области, для каждого вещества свои. Сверхкритическая область начинается в критической точке, которая характеризуется непременно двумя параметрами – температурой и давлением (так же, как точка кипения). Понижение либо температуры, либо давления ниже критического выводит вещество из сверхкритического состояния.

Свойства СКФ Сверхкритические флюиды представляют собой нечто среднее между жидкостью и газом. Они могут сжиматься как газы (обычные жидкости практически несжимаемы) и, в тоже время, способны растворять твердые вещества, что газам не свойственно. Опыты, поставленные для визуального наблюдения сверхкритического состояния, были опасны, поскольку не каждая стеклянная ампула способна выдержать давление в десятки МПа. Позже для того, чтобы установить момент, когда вещество становится флюидом, вместо визуальных наблюдений в стеклянных трубках вернулись к методике, близкой к той, что использовал Каньяр де ла Тур. С помощью специальной аппаратуры стали измерять скорость прохождения звука в изучаемой среде, в момент достижения критической точки скорость распространения звуковых волн резко падает.

Применение СКФ Сверхкритические флюиды стали широко использовать только в 1980 -х, когда общий уровень развития индустрии позволил сделать установки для получения СКФ широко доступными. С этого момента началось интенсивное развитие сверхкритических технологий. В первую очередь исследователи сосредоточили внимание на высокой растворяющей способности СКФ – это не только хорошие растворители, но и вещества с высоким коэффициентом диффузии, т. е. они легко проникают в глубинные слои различных твердых веществ и материалов. Фармацевтическая промышленность одна из первых обратилась к новой технологии, поскольку СКФ позволяют наиболее полно выделять биологически активные вещества из растительного сырья, сохраняя неизменным их состав. Пример: кофеин из зёрен кофе.

Применение критич. параметров в НГО для определения физических параметров добытых проб природного газа необходимо найти значения приведенных температуры и давления: соответственно

Применение критич. параметров в НГО-2

Применение критич. параметров в НГО-3

Применение критич. параметров в НГО-4