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Solvatazione di soluti non polari in acqua sopraccritica

Informazioni tesi

  Autore: Giorgio Modesti
  Tipo: Tesi di Laurea
  Anno: 2002-03
  Università: Università degli Studi Roma Tre
  Facoltà: Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali
  Corso: Fisica
  Relatore: Maria Antonietta Ricci
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 120

Le condizioni sopraccritiche per l’acqua sono eccezionali e interessanti sia dal punto di vista applicativo, sia dal punto di vista fondamentale. In particolare, in regime sopraccritico il potere di solvatazione può essere controllato con piccole variazioni di temperatura e pressione. Mentre i sistemi puri sono caratterizzati da un punto critico per l’equilibrio liquido-gas, in sistemi binari tale punto diventa una linea critica in un diagramma temperatura-pressione i cui punti dipendono dalla frazione molare del soluto. In natura si sono osservati due diversi tipi di comportamento per queste curve cosiddette di smescolamento, che dipende dal segno della derivata parziale della temperatura con la pressione. Sulla base di misure di diffrazione neutronica effettuate presso la sorgente pulsata ISIS (U.K.) per la prima volta su miscele sopraccritiche acqua-elio, acqua-argon, acqua-kripton, noi scopriamo un’evidenza sperimentale distintiva dei due tipi di comportamento. L’esperimento si inserisce in uno studio sistematico della struttura microscopica dell’acqua sopraccritica, con l’idea di introdurne in soluzione soluti via via crescenti per ingombro e per polarizzabilità (He, Ar, Kr). Ma paradossalmente si è osservato che l’elio, il soluto più piccolo e meno polarizzabile, è quello che di fatto determina l’effetto di maggiore modifica della struttura microscopica dell’acqua, osservabile già alle basse concentrazioni indagate.
Si è poi studiata con maggiore attenzione la solvatazione dell’argon: gli esperimenti di diffrazione neutronica con acqua prevedono la sostituzione isotopica H/D per l'individuazione di tre fattori di struttura parziale; nel caso dell’argon si è realizzata la sostituzione isotopica anche sul soluto, adoperando un isotopo dell’argon, peraltro piuttosto raro in natura. Questo ha permesso di produrre un ulteriore fattore di struttura parziale che ha rafforzato l’ipotesi di configurazione precedentemente ottenuta, consentendoci degli interessanti confronti.
In questa trattazione, per completezza espositiva, sono stati incidentalmente studiati tutti gli aspetti connessi con lo studio strutturale dell’acqua sopraccritica fatta per mezzo di diffrazione di neutroni: le caratteristiche della sorgente pulsata, del diffrattometro a tempo di volo, della cella per le alte pressioni; le correzioni dei dati per l'assorbimento, per lo scattering multiplo, per l'anelastico; l'individuazione delle funzioni di distribuzione radiale con l'ausilio di metodi di simulazione come la dinamica molecolare, il metodo Monte Carlo, l'EPSR. Quest'ultimo è di particolare interesse sperimentale perché associa il best-fitting dei dati con una simulazione Monte Carlo, permettendo l’individuazione di modelli configurazionali mutuati sui dati di diffrazione. È proprio su questi modelli che si sono riuscite ad interpretare le evidenze sperimentali.

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Introduzione L’acqua sopraccritica In condizioni ambientali l’acqua liquida coesiste con il suo vapore. All’au- mentare della temperatura anche la tensione di vapore - ovvero la pressione per cui si ha coesistenza tra le due fasi - aumenta, mentre l’espansione termi- ca provoca una diminuzione della densita` del liquido. Contemporaneamente il gas diventa piu` denso a causa dell’aumento della pressione. Il punto criti- co dell’acqua si definisce come il punto termodinamico di un diagramma temperatura-pressione in cui le densita` delle due fasi diventano identiche e di conseguenza non si osserva differenza fra di loro. La regione sopraccritica si trova al di sopra della temperatura critica T C , uguale a 374 ◦ C, e intorno e al di sopra della pressione critica P C , corrispondente a 221bar. La maggior parte delle applicazioni dei fluidi sopraccritici avvengono nel range di tem- perature 1 <T/T C < 1.1 e pressione 1 <P/P C < 2. A queste condizioni il fluido e` monofasico, con proprieta` vantaggiose sia di liquido sia di gas: ha una densita` sufficiente ad essere usato come solvente, ma il tasso di diffusione e` maggiore che nei liquidi e la viscosita`e` minore, facilitando il trasporto di massa. Inoltre l’alta compressibilita` intorno al punto critico permette il con- trollo del potere di solvatazione. La densita`, infatti, puo` essere controllata variando temperatura e pressione tra i valori tipici della natura di gas fino a valori piu` simili a quello di sostanza liquida e il potere di solvatazione puo` essere regolato con piccole variazioni di pressione. Infatti la solubilita`del soluto dipende esponenzialmente dalla densita` e piccole variazioni di pres- sione possono provocare importanti variazioni della solubilita`, permettendo la solvatazione selettiva o la precipitazione dei soluti [1], [2]. D’altra parte molti materiali oggi considerati tossici, come i policlorinati bifenili, propellenti ed esplosivi obsoleti, sono composti organici insolubili in acqua a temperature e pressioni ordinarie; mentre la maggior parte di 1

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Parole chiave

acqua
gas rari
neutroni
neutronica
solvatazione
sopraccritico
spettroscopia

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