Introdução aos Fluidos Supercríticos

Fluidos supercríticos são substâncias que se encontram em condições de pressão e temperatura acima do ponto crítico num gráfico de diagrama de fases.

Mas o que é um gráfico de diagrama de fases? 

É um gráfico que mostra o estado físico mais estável e, portanto, predominante, em diferentes pressões e temperaturas, como na figura abaixo, onde podemos observar um gráfico de diagrama de fases de variáveis Pressão por Temperatura:

As linhas que separam as regiões do diagrama de fases são chamadas curvas de fase. Nessas linhas os dois estados físicos vizinhos coexistem. Os dois pontos marcados em vermelho: "triple point" e "critical point" são, respectivamente, ponto triplo (ponto onde coexistem os estados físicos Sólido, Líquido e Gasoso) e ponto crítico (ponto a partir do qual um fluido se torna supercrítico) da substância que está sendo analisada. Dadas uma determinada pressão e temperatura de uma substância, é possível conhecermos o estado físico em que ela se encontra por meio do diagrama de fases, bem como o ponto a partir do qual ela se transforma em um fluido supercrítico.

O foco do nosso blog é discorrer sobre o que acontece com uma substância quando ela está acima do Ponto Crítico e todas as grandes consequências aplicáveis desse fenômeno.

Agora que já possuímos alguma noção do que é um diagrama de fases, podemos observar o que acontece quando vão sendo elevadas progressivamente a temperatura e a pressão de uma substância. 

Quando o Ponto Crítico é alcançado, a curva das fases líquido-vapor chega a seu fim.

Para saber o que acontece nesse ponto, imagine-se um recipiente fechado contendo água líquida inicialmente a 25°C. É natural que após algum tempo tenhamos água liquida se transformando em vapor d' água e vapor d' água se transformando em água líquida num equilíbrio químico dinâmico ( dinâmico pois sempre temos as duas transformações ocorrendo). Ao elevar-se a temperatura desse sistema, percorrendo o diagrama de fases da esquerda para a direita, deslocaremos o equilíbrio no sentido de produzir cada vez mais vapor d'água, aumentando a pressão dentro do recipiente e a densidade do vapor d' água.

 Quando a temperatura é elevada até 374 °C (Ponto Crítico da Água), a pressão de vapor atinge 218 atmosferas. A densidade do vapor é agora tão grande que se iguala a do líquido. Nesse ponto desaparece a nítida superfície de separação que existia entre a água que ainda se encontrava no estado líquido e o vapor d' água. Forma-se uma única fase uniforme que preenche todo o recipiente.

Se for mantida a temperatura de 374°C ou superior, independentemente do quanto se eleve a pressão dentro do recipiente, não haverá separação entre fases líquida e gasosa, ou seja, não é mais possível haver transição de vapor para líquido.

Esse fenômeno também é aplicável a outras substâncias, como o dióxido de carbono.

Com esse conhecimento, é possível uma melhor definição entre os conceitos de Vapor e Gás.  O conceito de Vapor passa a ser o de fase gasosa da substância enquanto ela ainda está abaixo do seu Ponto Crítico, sendo ainda possível a transformação de vapor em líquido.  O conceito de Gás passa a ser o de fase gasosa da substância quando ela está acima do seu Ponto Crítico, sendo agora impossível retorná-la para o estado líquido a não ser que se diminua a temperatura.

O termo Fluido Supercrítico é o mais correto para esse estado físico pois, apesar do fluido ser formalmente um gás (já que ocupa todo o recipiente), possui densidade tão grande quanto a de um líquido, sendo capaz de atuar como um solvente tanto para líquidos quanto para sólidos. Isso traz um enorme potencial de aplicação aos fluidos supercríticos, que discutiremos mais tarde.

Abaixo, um vídeo mostrando CO2 sendo aquecido até se transformar em fluido supercrítico ( o que acontece ao tempo de 1:10 do vídeo).

Referências:
- Atkins, Peter ; Jones, Loretta - Chemical Principles The Quest for Insight. 5th edition  W.H. Freeman.