¿Qué sucede cuando pones agua bajo una presión intensa?

Lo que está preguntando generalmente se muestra en un diagrama de fase. El diagrama muestra cómo la "fase", es decir, líquido, gas o una de varias fases sólidas, existe a diferentes temperaturas y presiones:

Si su cilindro comienza en decir$20{}^{\circ}\mathrm{C}$y la presión atmosférica, estará en$\color{green}{\textbf{Liquid}}$justo cerca del centro del diagrama. Si aumenta la presión manteniendo la temperatura constante, cambiará a$\color{blue}{\textbf{Ice VI}}$a alrededor de 1 GPa, o alrededor de 10 000 atmósferas de presión: es difícil convertir el agua en hielo comprimiéndola; el agua en el fondo del océano sigue siendo agua.

A medida que aumenta aún más la presión, manteniendo la temperatura constante, atravesará formas cada vez más compactas de hielo sólido (el diagrama no muestra un "agujero negro", ya que sería muchos, muchos órdenes de magnitud fuera de lo normal). arriba, y no se puede alcanzar físicamente).

Hago hincapié en "mantener la temperatura constante" porque (a) eso es algo que tu experimento tendrá que elegir si hacer o no y (b) porque hace que sea mucho más fácil leer el diagrama. La compresión está agregando energía al agua, a partir del trabajo realizado por los pistones. Si va lento y el cilindro no está aislado, etc., esa energía se disipará a medida que el cilindro mantiene naturalmente la temperatura de su entorno. Si vas rápido, o si el cilindro está aislado, la temperatura aumentará y el agua tenderá a subir y a la derecha en el diagrama: llegarás a las transiciones en diferentes puntos.

Version corta

• Alrededor${10}^{5}\mathrm{Pa}$, que se trata de la presión atmosférica normal, el líquido del agua.

• Alrededor${10}^{9}\mathrm{Pa}$, el agua se comprime en hielo. La configuración del hielo varía a medida que aumenta la presión.

• Alrededor${10}^{12}\mathrm{Pa}$, el hielo se metaliza. Ya no es un montón de moléculas de H ₂ O, sino una sopa de átomos de H y O.

• Alrededor${10}^{16}\mathrm{Pa}$De manera muy aproximada, las reacciones nucleares podrían comenzar a ser apreciables (aunque no exactamente comunes).

• Alrededor${10}^{31}\mathrm{Pa}$, las presiones se aproximan a las que se encuentran en una estrella de neutrones. Ya no tiene sentido hablar de átomos individuales.

• En algún momento, probablemente colapsará en un agujero negro, o algo así.

• Más allá de eso, sería una especulación desenfrenada.

Versión larga

Aproximadamente, funciona un poco así:

1. Comience a una temperatura/presión típica; digamos$20{}^{\circ}\mathrm{C}$y$1{\cdot}{10}^{5}\mathrm{Pa}~\left(\approx1~\mathrm{atm}\right)$.

2. Comprimir, suponiendo que el cilindro está en un baño de calor a temperatura constante.

   • Otra opción común es considerar una compresión adiabática, en la que el calor también queda atrapado, de modo que la temperatura tenderá a aumentar a medida que se comprime. Hacer isotérmico en su lugar porque es más perezoso.

3. A medida que aumenta la presión, ocurrirán 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 cambiará un poco.

4. Alrededor$P{\approx}1{\cdot}{10}^{9}\mathrm{Pa}$, el agua líquida comenzará a comprimirse en hielo.

   • Específicamente, las moléculas de agua se organizarán en un patrón Ice VI .

5. Alrededor$P{\approx}2{\cdot}{10}^{9}\mathrm{Pa}$, el patrón Ice VI podría comenzar a perder el camino hacia Ice VII .

6. Alrededor$P{\approx}6{\cdot}{10}^{9}\mathrm{Pa}$, el patrón Ice VII podría comenzar a perder el rumbo de Ice X .

7. Más allá de este punto, las cosas comienzan a ponerse especulativas ya que estamos fuera del ámbito de la verificación experimental.

   La trama en la respuesta de @BobJacobsen muestra una predicción de una variación de Ice XI , al igual que esta trama ligeramente extendida:

   

8. A medida que aumentan las presiones, deja de ser " agua ", y se convierte en un metal compuesto por los átomos que solían estar 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 metales típicos.

   Exactamente cuándo y cómo ocurre la metalización es controvertido. Hay afirmaciones contrapuestas sobre cuándo se metaliza el hidrógeno, y encontré una afirmación de que el oxígeno también se metaliza relativamente pronto, 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 que el oxígeno se vuelve metálico.

   • $P{\approx}4.95{\cdot}{10}^{11}\mathrm{Pa}$: Hay una afirmación experimental impugnada de haber observado hidrógeno metálico .

   • $P{\approx}1.55{\cdot}{10}^{12}\mathrm{Pa}$: Reclamación de agua (por lo que tanto el hidrógeno como el oxígeno juntos) se vuelven metálicos:

     Basándonos en cálculos funcionales de densidad, predecimos que el hielo de agua alcanzará dos nuevas estructuras cristalinas con simetría Pbca y Cmcm a 7,6 y 15,5 Mbar, respectivamente. Las conocidas fases VII, VIII, X y Pbcm del hielo a alta presión, 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 consta de láminas corrugadas de átomos de H y O. Los átomos de H se comprimen 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 ice X, Pbcm y Pbca.

     - "Nuevas fases de hielo de agua previstas a presiones de megabares" [formato omitido]

9. En algún punto bastante ambiguo , las reacciones nucleares probablemente comenzarán a ser significativas, probablemente con el paso del hidrógeno al helio, etc. Desde que comenzaron las reacciones nucleares, estamos fuera del ámbito de la química.

10. Eventualmente, el asunto probablemente se degenerará . Ingenuamente, me imagino algo así como una estrella de neutrones , donde aumentar la presión sería como profundizar en las capas de una estrella de neutrones:

    

    Pero, obviamente, estamos muy metidos en el terreno de la especulación en este punto.

11. Eventualmente, la presión de degeneración se supera, y tal vez forme un agujero negro . Tal vez se verá como una bola de pelusa , tal vez. Realmente no lo sé.

Discusión sobre hielo a alta presión

Para el rango extremo de presiones en las que el agua sigue siendo " agua ", esta fuente parece tener una buena discusión:

Hielos de muy alta presión, incluido el hielo superiónico.

El estado del hielo a muy altas presiones por encima del hielo X se ha alcanzado recientemente de forma experimental. El modelado da una confusión de posibilidades. Como tal modelado, pero de hielos de menor presión, no da resultados precisos en comparación con la información de la estructura experimental, se espera que estos resultados sean, en el mejor de los casos, indicativos. Los cálculos funcionales de densidad [1709] indican un desplazamiento inicial inducido por la presión de las diez capas atómicas de hielo para dar una estructura ortorrómbica de Pbcm. A presiones más altas, esto puede ser seguido por la compresión de los átomos de H desde sus puntos medios para dar una estructura de Pbca y luego, a más de un terapascal (TPa, 10 ⁷atm), a un hielo metálico, que consta de 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; una es que la estructura ortorrómbica Pbcm es reemplazada por una fase _Pmc_2 ₁ por encima de 930 GPa, seguida de una _P_2 ₁estructura 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 Pcca ortorrómbica se vuelven estables en los rangos 0.77-1.44 TPa y 1.44-1.93 TPa [2114] respectivamente. Dichos hielos no son moleculares y pueden considerarse 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 consta de 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 5 TPa, se ha sugerido que se produce un desdoblamiento de fases con (los componentes de) H ₂ O descomponiéndose en una fase cúbica de fórmula Pa-3 H ₂ O ₂ y una fase rica en hidrógeno, con metalización prevista en una presión más alta de 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 (~1500 K) [1572]. En esta fase, se esperaba que los iones de hidrógeno (protones) fueran muy móviles, se comportaran como un líquido y se movieran dentro de la red sólida de iones de oxígeno. El reciente descubrimiento experimental de hielo superiónico ha reforzado esta predicción [3199]. Usando la compresión de choque del hielo siete, se demostró que el hielo se derrite cerca de 5000 K a 190 GPa.

- "Estructura y ciencia del agua" [enlaces omitidos; formato parcialmente reproducido]