SUBLIMACJA PROGRESYWNA: KONCEPCJA, PROCES I PRZYKŁADY - CHEMIA - 2025

Postępowy sublimacji jest termodynamiczny proces, w którym następuje endotermiczny zmiana stanu bezpośrednio z fazy stałej do gazowej, bez uprzedniego tworzenia cieczy. Ciało stałe zachowuje się w normalnych warunkach jako podgrzewanie i topienie; to znaczy scalić. Tymczasem w sublimacji ciało stałe zaczyna bezpośrednio dymić, bez wcześniejszego pojawienia się kropel wskazujących na jego topnienie.

To, co opisano w powyższym akapicie, jest przedstawione na powyższym obrazku. Załóżmy, że stała pomarańczowa mieszanka (po lewej) zaczyna się nagrzewać. Mieszanina składa się z dwóch składników lub ciał stałych: jednego żółtego, a drugiego czerwonego, których połączenie daje kolor pomarańczowy.

Przykład sublimacji hipotetycznego pomarańczowego ciała stałego. Źródło: Gabriel Bolívar.

Czerwone ciało stałe sublimuje, ponieważ ciecz nie tworzy się z niego, ale osadza się (czerwone trójkąty) u podstawy górnego pojemnika; taki, który zawiera kostki lodu i dlatego oferuje zimną powierzchnię. Tymczasem żółta substancja stała pozostaje niezmieniona pod wpływem ciepła (żółty prostokąt).

Czerwone trójkąty lub kryształy osadzają się dzięki zimnej powierzchni pojemnika odbiorczego (po prawej), która pochłania ich temperaturę; A nawet jeśli się nie wyświetla, rozmiar kostek lodu powinien się zmniejszyć z powodu pochłaniania ciepła. Żółta substancja stała nie nadaje się do sublimacji, a jeśli będziesz ją nadal podgrzewać, prędzej czy później topi się.

Koncepcja progresywnej sublimacji

Proces

Jak już powiedziano, sublimacja jest endotermiczną zmianą stanu, ponieważ aby nastąpiła, musi nastąpić absorpcja ciepła. Jeśli ciało stałe pochłonie ciepło, jego energia wzrośnie, więc jego cząstki również będą wibrować z wyższymi częstotliwościami.

Kiedy te wibracje stają się bardzo silne, ostatecznie wpływają na interakcje międzycząsteczkowe (nie na wiązania kowalencyjne); w konsekwencji, prędzej czy później cząsteczki będą się oddalać od siebie, aż zdążą płynąć i poruszać się swobodniej w obszarach przestrzeni.

W niektórych ciałach stałych wibracje są tak silne, że niektóre cząstki „wyskakują” ze struktury zamiast gromadzić się w ruchomych skupiskach, które tworzą kroplę. Cząsteczki te uciekają i integrują pierwszy „bąbel”, który raczej utworzyłby pierwsze opary sublimowanej substancji stałej.

Mówimy wtedy nie o temperaturze topnienia, ale o punkcie sublimacji. Chociaż oba są zależne od ciśnienia panującego na ciele stałym, punkt sublimacji jest bardziej; w związku z tym jego temperatura zmienia się znacznie wraz ze zmianami ciśnienia (podobnie jak temperatura wrzenia).

Od struktury stałej do nieładu gazowego

W sublimacji mówi się również, że następuje wzrost entropii układu. Stany energetyczne cząstek przechodzą od ograniczania ich ustalonymi pozycjami w strukturze stałej do homogenizacji w ich kapryśnych i chaotycznych kierunkach w bardziej jednorodnym stanie gazowym, gdzie ostatecznie uzyskują średnią energię kinetyczną.

Diagram fazowy i punkt potrójny

Punkt sublimacji zależy od ciśnienia; Ponieważ w przeciwnym razie cząstki stałe absorbowałyby ciepło, aby nie wystrzelić w przestrzeń poza ciałem stałym, ale aby utworzyć kropelki. Nie sublimowałby, ale stopiłby się lub stopił, jak to jest najczęściej.

Im większe ciśnienie zewnętrzne, tym mniejsze prawdopodobieństwo sublimacji, ponieważ ciało stałe jest zmuszane do topienia.

Ale które ciała stałe nadają się do sublimacji, a które nie? Odpowiedź tkwi w diagramach faz P vs T, takich jak ten pokazany poniżej:

Diagram fazowy dla hipotetycznej substancji. Źródło: Gabriel Bolívar.

Najpierw musimy spojrzeć na punkt potrójny i przejść przez dolną część: tę, która oddziela stany stałe i gazowe. Zauważ, że w obszarze ciała stałego musi nastąpić spadek ciśnienia, aby nastąpiła sublimacja (niekoniecznie przy 1 atm, naszym ciśnieniu atmosferycznym). Przy 1 atm hipotetyczna substancja ulegnie sublimacji do temperatury Ts wyrażonej w K.

Im dłuższy i poziomy odcinek lub krzywa poniżej punktu potrójnego, tym większa zdolność ciała stałego do sublimacji w różnych temperaturach; ale jeśli jest znacznie poniżej 1 atm, wówczas do osiągnięcia sublimacji potrzebne będą wysokie podciśnienia, takie, że ciśnienie zostanie obniżone (na przykład 0,0001 atm).

Warunki

Jeśli punkt potrójny jest tysiące razy niższy od ciśnienia atmosferycznego, ciało stałe nigdy nie sublimuje nawet przy ultra-próżni (nie wspominając o jego podatności na rozkład pod wpływem ciepła).

Jeśli tak nie jest, sublimacje przeprowadza się przez umiarkowane ogrzewanie i poddawanie ciała stałego działaniu próżni, aby jego cząsteczki łatwiej uciekały, bez konieczności pochłaniania przez nie tyle ciepła.

Sublimacja staje się bardzo ważna zwłaszcza w przypadku ciał stałych o wysokiej prężności par; to znaczy ciśnienie w środku, odzwierciedlenie skuteczności ich interakcji. Im wyższa prężność par, tym bardziej jest pachnący i bardziej sublimalny.

Przykłady

Oczyszczanie ciał stałych

Obraz pomarańczowego ciała stałego i jego sublimowalnego czerwonawego składnika jest przykładem tego, co reprezentuje sublimacja w odniesieniu do oczyszczania ciał stałych. W razie potrzeby czerwone trójkąty można poddać ponownej sublimacji, aż do zagwarantowania wysokiej czystości.

Ta technika jest stosowana głównie w przypadku pachnących ciał stałych. Na przykład: kamfora, kofeina, benzoes i mentol.

Wśród innych ciał stałych, które można poddać sublimacji, mamy: jod, lód (na dużych wysokościach), teobrominę (z czekolady), sacharynę, morfinę i inne leki, zasady azotowe i antracen.

Synteza kryształów

Wracając do czerwonych trójkątów, sublimacja stanowi alternatywę dla konwencjonalnej krystalizacji; Kryształy nie będą już syntetyzowane z roztworu, ale poprzez możliwie najbardziej kontrolowane osadzanie się oparów na zimnej powierzchni, gdzie dogodnie mogą znajdować się krystaliczne ziarenka sprzyjające określonej morfologii.

Powiedzmy, że jeśli masz czerwone kwadraty, wzrost kryształów zachowa tę geometrię i nie powinny stać się trójkątne. Czerwone kwadraty będą stopniowo rosły wraz z postępem sublimacji. Jest to jednak złożony operacyjnie i molekularnie kompleks, w który zaangażowanych jest wiele zmiennych.

Przykładami kryształów syntetyzowanych metodą sublimacji są: węglik krzemu (SiC), grafit, arsen, selen, fosfor, azotek glinu (AlN), siarczek kadmu (CdS), selenek cynku (ZnSe), jodek rtęci (HgI ₂ ), grafen.

Zauważ, że są to tak naprawdę dwa powiązane ze sobą zjawiska: postępująca sublimacja i osadzanie (lub odwrotna sublimacja); para migruje z ciała stałego do chłodniejszych obszarów lub powierzchni, ostatecznie osadzając się w postaci kryształów.

Bibliografia

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemia (8th ed.). CENGAGE Learning.
2. Wikipedia. (2019). Sublimacja (przemiana fazowa). Odzyskane z: en.wikipedia.org
3. Jones, Andrew Zimmerman. (27 stycznia 2019). Sublimacja. Odzyskany z: thinkco.com
4. Sheila Morrissey. (2019). Czym jest sublimacja w chemii? - Definicja, proces i przykłady. Badanie. Odzyskany z: study.com
5. Elsevier BV (2019). Metoda sublimacji. ScienceDirect. Odzyskany z: sciencedirect.com