水の超臨界状態: 液体と気体の間、第 4 の相?

あまり知られていないが基本的な段階

温度に達した水の超臨界状態。374℃そしてプレッシャー22.06MPa(≈217.8 atm) は、水が液体と気体と区別されなくなる熱力学的領域です。このゾーンでは、液体の密度と気体の拡散率の両方を持ちます。このハイブリッドな挙動は、独特の物理的および化学的特性への道を切り開き、反応性が高く、有機物質および無機物質の溶解に優れており、地球化学、工業プロセス、さらには前生物的条件の探査においても広く使用されています。

超臨界水の物性

液体または蒸気の水とは異なり、超臨界水は大幅な小規模な密度変動を示し、誘電率、イオン溶媒和、および熱輸送メカニズムを変化させます。塩を液体のように溶解できますが、非極性種の場合は気体のように動作します。熱伝導率が高く、粘度が低く、表面張力がゼロです。これらの特性により、持続可能な化学プロセスにおける優れた作動流体または環境に優しい溶媒となります。

超臨界水は地球上のどこにあるのでしょうか?

水の超臨界状態は、217ATMそしてそれ以上の気温374℃。これらの条件は、特定の深部地熱環境、特に海洋地殻そして近くにマグマだまり。それらは特に次の領域で見られます。

• 深層熱水系：（大西洋のような）中央海嶺には、いわゆる「ブラックスモーカー」煙突があり、そこでは水柱の圧力とマグマの接近により、水が臨界点を通過することができます。
• 超深部地熱掘削: のようなプロジェクトアイスランド深層掘削プロジェクト(IDDP) は、地表から 4 ～ 5 km 以上の深さで水が超臨界状態に保たれている地域に到達しました。
• 活火山地帯: 火山地域 (ニュージーランドのタウポや米国のイエローストーンなど) では、非常に高い地熱勾配により、浅い相対深度に超臨界帯が生成されることがあります。

これらの極限環境は、基礎研究 (生命の起源、極限環境微生物、鉱化) と新興の地球エネルギー技術の両方にとって大きな関心を集めています。

科学および産業用途

超臨界水はさまざまな場所で見つかります。

• 深層地球化学: 変成作用、火山活動、重金属の輸送に関与しています。
• 廃棄物処理: 超臨界水熱酸化 (SCWO) では、有機汚染物質が効率的に破壊されます。
• 製薬・食品業界: 有毒な溶媒を使用せずに選択的抽出が可能です。
• 惑星探査: 超臨界海洋は、氷の地殻の下か、強い重力を持つ系外惑星上にあると考えられています。

地球の進化における重要な段階

水の超臨界状態は、地球上の生命の起源に役割を果たした可能性があります。深部の熱水環境では、超臨界水が複雑な有機反応を促進し、最初の生体分子の出現の前駆体となったであろう。さらに、優れた溶媒和特性と触媒特性は、地表または地殻におけるプレバイオティクス化学の発達をサポートする可能性があります。

比較表：水質条件

ソース ：NIST 化学ウェブブック、ScienceDirect - 超臨界水酸化。