Imagina que tienes un tubo indestructible que no puede tener fugas, dentro del cual hay agua. Imagina que en cada lado del tubo tienes unos pistones muy potentes
¿Qué pasaría si se comprime el agua en su interior?
¿Se convertiría en calor y escaparía del tubo?
¿Se convertiría el agua en sólido porque las moléculas de agua están muy cerca unas de otras?
¿Se convertiría el agua en un agujero negro? ¿Qué pasaría?
Lo que preguntas se suele mostrar en un diagrama de fases. El diagrama muestra cómo la "fase", es decir, el líquido, el gas o una de las diversas fases sólidas, existe a diferentes temperaturas y presiones:
Si su cilindro comienza, por ejemplo, en $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ y la presión atmosférica, estará en $\color{green}{\textbf{Liquid}}$ justo en el centro del diagrama. Si aumentas la presión manteniendo la temperatura constante, pasará a $\color{blue}{\textbf{Ice VI}}$ a cerca de 1GPa, o unas 10.000 atmósferas de presión: es duro convertir el agua en hielo comprimiéndola; el agua del fondo del océano sigue siendo agua.
A medida que se siga elevando la presión, manteniendo la temperatura constante, pasará por formas cada vez más compactas de hielo sólido (el diagrama no muestra el "agujero negro", ya que eso estaría a muchos, muchos órdenes de magnitud de la parte superior, y no se puede alcanzar físicamente).
Subrayo lo de "mantener la temperatura constante" porque (a) es algo que tu experimento tendrá que elegir hacer o no hacer y (b) porque facilita mucho la lectura del diagrama. La compresión está añadiendo energía al agua, a partir del trabajo realizado por los pistones. Si vas despacio, y el cilindro no está aislado, etc., esa energía se desprenderá porque el cilindro se mantiene naturalmente a la temperatura de su entorno. Si vas rápido, o el cilindro está aislado, la temperatura subirá y el agua tenderá a subir y bajar en el diagrama: Llegará a las transiciones en diferentes puntos.
En ${10}^{5}\mathrm{Pa}$ que es la presión atmosférica normal, el agua es líquida.
En ${10}^{9}\mathrm{Pa}$ El agua se comprime en hielo. La configuración del hielo varía al aumentar la presión.
En ${10}^{12}\mathrm{Pa}$ El hielo se metaliza. Ya no es un montón de H 2 O, sino una sopa de átomos de H y O.
En ${10}^{16}\mathrm{Pa}$ A grandes rasgos, las reacciones nucleares podrían empezar a ser apreciables (aunque no exactamente comunes).
En ${10}^{31}\mathrm{Pa}$ las presiones se acercan a lo que se encuentra en una estrella de neutrones. Ya no tiene sentido hablar de átomos individuales.
En algún momento, probablemente colapse en un agujero negro, o algo así.
Más allá de eso, sería una especulación desenfrenada.
A grandes rasgos, funciona así:
Comienza con una temperatura/presión típica; digamos $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ y $1{\cdot}{10}^{5}\mathrm{Pa}~\left(\approx1~\mathrm{atm}\right)$ .
Comprimir, suponiendo que el cilindro está en un baño de calor de temperatura constante.
Al aumentar la presión, se producirán algunos efectos menores:
El agua perderá algo de volumen (aunque no es demasiado comprimible).
Se generará calor (aunque se perderá en el baño de calor).
El equilibrio químico se desplazará un poco.
En $P{\approx}1{\cdot}{10}^{9}\mathrm{Pa}$ el agua líquida comenzará a comprimirse en hielo.
En $P{\approx}2{\cdot}{10}^{9}\mathrm{Pa}$ El Hielo VI patrón podría empezar a perder el camino hacia Hielo VII .
En $P{\approx}6{\cdot}{10}^{9}\mathrm{Pa}$ El Hielo VII patrón podría empezar a perder el camino hacia Hielo X .
Más allá de este punto, las cosas empiezan a ser especulativas, ya que estamos fuera del ámbito de la verificación experimental.
La trama en Respuesta de @BobJacobsen muestra una predicción de una variación de Hielo XI como lo hace esta trama ligeramente ampliada:
A medida que las presiones aumentan más, deja de ser " agua ", sino un metal compuesto por los átomos que antes había en el agua. La diferencia es que, antes de la metalización, el agua es H 2 O; después de la metalización, ya no tiene sentido hablar de moléculas individuales de H 2 O, al igual que no tiene sentido hablar de " moléculas " de los metales típicos.
El momento exacto en el que se produce la metalización y cómo se produce es controvertido. Hay afirmaciones que compiten sobre cuándo se metaliza el hidrógeno, y encontré una afirmación de que el oxígeno se metaliza relativamente pronto también, y luego otra afirmación de que el agua se metalizaría a otra presión:
$P{\approx}2.5{\cdot}{10}^{10}\mathrm{Pa}$ : Predicción temprana de la metalización del hidrógeno.
$P{\approx}9.6{\cdot}{10}^{10}\mathrm{Pa}$ : Wikipedia cita el oxígeno que se vuelve metálico.
$P{\approx}4.95{\cdot}{10}^{11}\mathrm{Pa}$ : Hay una afirmación experimental controvertida de haber observado hidrógeno metálico .
$P{\approx}1.55{\cdot}{10}^{12}\mathrm{Pa}$ : Afirmación de que el agua (por lo tanto, el hidrógeno y el oxígeno juntos) es metálica:
Basándonos en cálculos del funcional de la densidad, predecimos que el hielo de agua alcanza dos nuevas estructuras cristalinas con simetría Pbca y Cmcm a 7,6 y 15,5 Mbar, respectivamente. Las fases de hielo a alta presión conocidas VII, VIII, X y Pbcm, así como la fase Pbca, son todas aislantes y están compuestas por dos redes interpenetradas de enlaces de hidrógeno, pero la estructura Cmcm es metálica y consiste en láminas onduladas de átomos de H y O. Los átomos de H se aprietan en posiciones octaédricas entre los átomos de O más cercanos, mientras que ocupan posiciones tetraédricas entre los átomos de O más cercanos en las fases de hielo X, Pbcm y Pbca.
- "Se predicen nuevas fases del hielo de agua a presiones megabares" [formato omitido]
En algunos punto bastante ambiguo Las reacciones nucleares probablemente comenzarán a ser significativas, probablemente con el hidrógeno convirtiéndose en helio, etc. Desde que las reacciones nucleares han comenzado, estamos fuera del ámbito de la química.
Con el tiempo, el asunto se convertirá probablemente en degenerado . Ingenuamente, me imagino algo así como un estrella de neutrones donde aumentar la presión sería como profundizar en las capas de una estrella de neutrones:
Pero, obviamente, en este momento estamos en el terreno de la especulación.
Eventualmente la presión de degeneración es superada, y formará un agujero negro tal vez. Tal vez se vea como un fuzzball tal vez. No lo sé.
Para el rango extremo de presiones en el que el agua está todavía " agua ", esta fuente parece tener una buena discusión:
Hielos de muy alta presión, incluido el hielo superiónico
El estado del hielo a las altísimas presiones por encima del hielo X sólo se ha alcanzado recientemente de forma experimental. La modelización ofrece una confusión de posibilidades. Dado que dicha modelización, pero de hielos de menor presión, no da resultados precisos en comparación con la información estructural experimental, se espera que estos resultados sean, en el mejor de los casos, indicativos. Los cálculos funcionales de la densidad [1709] indican un desplazamiento inicial inducido por la presión de las capas atómicas del hielo para dar una estructura ortorrómbica de Pbcm. A una presión más alta, esto puede ser seguido por la compresión de los átomos de H desde sus puntos medios para dar una estructura Pbca y luego, a más de un terapascal (TPa, 10 7 atm), a un hielo metálico, que consiste en láminas onduladas de átomos de H y O con los átomos de H en los puntos medios octaédricos entre los átomos de oxígeno más cercanos [1709]. Se han dado puntos de vista alternativos; uno de ellos es que la estructura ortorrómbica del Pbcm es sustituida por una estructura _Pmc_2 1 por encima de 930 GPa, seguido de una fase _P_2 1 estructura cristalina a unos 1,3 TPa y finalmente la fase metálica C2∕m por encima de unos 4,8 TPa [1818]. Otro estudio muestra que las fases trigonal P3121 y ortorrómbica Pcca se hacen estables en los rangos 0,77-1,44 TPa y 1,44-1,93 TPa [2114] respectivamente. Estos hielos no son moleculares y pueden considerarse como protones y dianiones de oxígeno con electrones móviles [1666] y se esperan en el núcleo de planetas gigantes como Júpiter y Saturno Una fase parcialmente iónica que consiste en capas alternas de OH - y H 3 O + a bajas temperaturas se ha sugerido [1810]. Varias fases nuevas pueden convertirse en una en la que el número de coordinación del oxígeno aumenta de 4 a 5 con un aumento significativo de la densidad [1818]. A presiones superiores a unos 5 TPa, se ha sugerido que se produce una separación de fases con (los componentes de) H 2 O se descompone en un Pa-3 H cúbico 2 O 2 -y una fase rica en hidrógeno, con una metalización prevista a una presión superior a poco más de 6 TPa [2114].
Se propuso una nueva fase superiónica con un punto triple aproximado de unos 1000 K, 40 GPa con agua líquida (supercrítica e ionizada) y hielo-siete a altas temperaturas (~1500K) [1572]. En esta fase, se esperaba que los iones de hidrógeno (protones) fueran altamente móviles, comportándose como un líquido, y moviéndose dentro de la red sólida de iones de oxígeno.El reciente descubrimiento experimental del hielo superiónico ha reforzado esta predicción [3199]. Utilizando la compresión de choque del hielo siete, se demostró que el hielo se funde cerca de 5000 K a 190 GPa.
- "Estructura y ciencia del agua" [se omiten los enlaces; se reproduce parcialmente el formato].
I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.
