Сублимация — это переход вещества из твердого состояния в газообразное , минуя жидкое . [ 1] Глагольная форма слова сублимация — сублимировать или, что менее предпочтительно, сублимировать . [2] Сублимировать также относится к продукту, полученному путем сублимации. [2] [3] Точка, в которой сублимация происходит быстро (подробнее см. ниже), называется критической точкой сублимации или просто точкой сублимации. Известными примерами являются сублимация сухого льда при комнатной температуре и атмосферном давлении, а также сублимация твердого йода при нагревании.
Обратным процессом сублимации является осаждение (также называемое десублимацией ), при котором вещество переходит непосредственно из газообразной фазы в твердую, минуя жидкое состояние. [4]
Все твердые тела сублимируются, хотя большинство сублимируется с чрезвычайно низкой скоростью, которую трудно обнаружить. При нормальном давлении большинство химических соединений и элементов обладают тремя различными состояниями при различных температурах . В этих случаях переход из твердого в газообразное состояние требует промежуточного жидкого состояния. Упомянутое давление является парциальным давлением вещества, а не общим (например, атмосферным) давлением всей системы. Таким образом, любое твердое тело может сублимироваться, если давление его пара выше, чем окружающее парциальное давление того же вещества, и в некоторых случаях сублимируется с заметной скоростью (например, водяной лед чуть ниже 0 °C).
Для некоторых веществ, таких как углерод и мышьяк , сублимация из твердого состояния гораздо более достижима, чем испарение из жидкого состояния, и их трудно получить в виде жидкостей. Это связано с тем, что давление их тройной точки на фазовой диаграмме (соответствующее самому низкому давлению, при котором вещество может существовать в виде жидкости) очень велико.
Сублимация вызывается поглощением тепла, которое обеспечивает достаточно энергии для некоторых молекул, чтобы преодолеть силы притяжения их соседей и уйти в паровую фазу. Поскольку процесс требует дополнительной энергии, сублимация является эндотермическим изменением. Энтальпия сублимации (также называемая теплотой сублимации) может быть рассчитана путем сложения энтальпии плавления и энтальпии испарения .
Хотя определение сублимации простое, часто возникает путаница относительно того, что считать сублимацией.
Испарение (из жидкости в газ) делится на два типа: испарение на поверхности жидкости называется испарением , а испарение при температуре кипения с образованием пузырьков внутри жидкости называется кипением . Однако для перехода из твердого состояния в газообразное, который в обоих соответствующих случаях всегда называется сублимацией, такого различия нет .
Для ясности необходимо провести различие между двумя соответствующими случаями. Применительно к фазовой диаграмме сублимация, которая происходит слева от границы твердое тело-газ, тройной точки или границы твердое тело-жидкость (соответствующей испарению при испарении), может быть названа постепенной сублимацией ; и вещество сублимируется постепенно , независимо от скорости. Сублимация, которая происходит на границе твердое тело-газ (критическая точка сублимации) (соответствующая кипению при испарении), может быть названа быстрой сублимацией , и вещество сублимируется быстро . Слова «постепенный» и «быстрый» приобрели особые значения в этом контексте и больше не описывают скорость сублимации. [ необходима цитата ]
Термин сублимация относится конкретно к физическому изменению состояния и не используется для описания превращения твердого тела в газ в результате химической реакции. Например, диссоциация при нагревании твердого хлорида аммония на хлористый водород и аммиак не является сублимацией, а химической реакцией. Аналогично , горение свечей, содержащих парафин , до углекислого газа и водяного пара не является сублимацией, а химической реакцией с кислородом.
Сублимация исторически используется как общий термин для описания двухэтапного фазового перехода — перехода из твердого состояния в газообразное (сублимация в более точном определении), за которым следует переход из газа в твердое состояние ( осаждение ). [5] [6] (См. ниже)
Приведенные примеры представляют собой вещества, которые заметно сублимируются при определенных условиях.
.jpg/1280px-Dry_Ice_Vapor_(17490553041).jpg)
Твердый диоксид углерода ( сухой лед ) быстро сублимируется вдоль границы твердое тело-газ (точка сублимации) ниже тройной точки (например, при температуре -78,5 °C, при атмосферном давлении ), тогда как его плавление в жидкий CO2 может происходить вдоль границы твердое тело-жидкость ( точка плавления ) при давлениях и температурах выше тройной точки (например, 5,1 атм, -56,6 °C).
Снег и лед постепенно сублимируются при температурах ниже границы твердого тела и жидкости (точка плавления) (обычно 0 °C) и при парциальных давлениях ниже давления тройной точки 612 Па (0,00604 атм) с низкой скоростью. [7] При сублимационной сушке материал, который должен быть обезвожен, замораживается, а его вода сублимируется при пониженном давлении или вакууме. Потеря снега со снежного поля во время холодного периода часто вызвана солнечным светом, действующим непосредственно на верхние слои снега. Сублимация льда является фактором эрозионного износа ледникового льда , также называемого абляцией в гляциологии . [ требуется ссылка ]
Нафталин , органическое соединение, обычно встречающееся в пестицидах, таких как нафталиновые шарики , легко сублимируется, поскольку он состоит из неполярных молекул, которые удерживаются вместе только межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса . Нафталин — это твердое вещество, которое сублимируется постепенно при стандартной температуре и давлении , [8] с высокой скоростью, с критической точкой сублимации около 80 °C (176 °F). [9] При низкой температуре давление его паров достаточно высоко, 1 мм рт. ст. при 53 °C, [10], чтобы заставить твердую форму нафталина испариться в газ. На холодных поверхностях пары нафталина затвердеют, образуя игольчатые кристаллы.
Йод постепенно возгоняется и производит видимые пары при слабом нагревании при стандартной атмосферной температуре . Можно получить жидкий йод при атмосферном давлении, контролируя температуру как раз между точкой плавления и точкой кипения йода. В криминалистике пары йода могут обнаруживать скрытые отпечатки пальцев на бумаге. [11]
Мышьяк постепенно возгоняется при нагревании при атмосферном давлении и быстро возгоняется при 887 К (614 °C). [12]
Кадмий и цинк возгоняются гораздо сильнее, чем другие распространённые материалы, поэтому они не подходят для использования в вакууме . [ необходима ссылка ]
Сублимация — это метод, используемый химиками для очистки соединений . Твердое вещество обычно помещают в аппарат для сублимации и нагревают в вакууме . Под этим пониженным давлением твердое вещество испаряется и конденсируется в виде очищенного соединения на охлажденной поверхности ( холодный палец ), оставляя нелетучий остаток примесей . После прекращения нагревания и удаления вакуума очищенное соединение можно собрать с охлаждающей поверхности. [13] [14] Для еще более высокой эффективности очистки применяется температурный градиент , который также позволяет разделять различные фракции. Типичные установки используют вакуумированную стеклянную трубку, которая нагревается постепенно контролируемым образом. Поток материала идет от горячего конца, где находится исходный материал, к холодному концу, который соединен с насосной стойкой. Контролируя температуру по всей длине трубки, оператор может контролировать зоны повторной конденсации, при этом очень летучие соединения полностью откачиваются из системы (или улавливаются отдельной холодной ловушкой ), умеренно летучие соединения повторно конденсируются вдоль трубки в соответствии с их различной летучестью, а нелетучие соединения остаются в горячем конце. Вакуумная сублимация этого типа также является методом выбора для очистки органических соединений для использования в органической электронной промышленности , где очень высокая чистота (часто > 99,99%) необходима для соответствия стандартам потребительской электроники и других приложений. [ необходима цитата ]
В древней алхимии , протонауке , которая способствовала развитию современной химии и медицины, алхимики разработали структуру основных лабораторных методов, теории, терминологии и экспериментальных методов. Сублимация использовалась для обозначения процесса, в котором вещество нагревается до состояния пара, затем немедленно собирается в виде осадка на верхней части и горлышке нагревательной среды (обычно реторты или перегонного куба ), но также может использоваться для описания других подобных нелабораторных переходов. Она упоминалась такими авторами-алхимиками, как Василий Валентин и Джордж Рипли , и в Rosarium philosophorum , как процесс, необходимый для завершения magnum opus . Здесь слово сублимация использовалось для описания обмена «телами» и «духами», аналогичного лабораторному фазовому переходу между твердыми телами и газами. Валентин в своей работе Le char triomphal de l'antimoine (Триумфальная колесница антимония, опубликованной в 1646 году) провел сравнение со спагирикой , в которой для разделения спиртов в вине и пиве может использоваться растительная сублимация. [15] Рипли использовал язык, более показательный для мистического смысла сублимации, указывая на то, что этот процесс имеет двойной аспект в одухотворении тела и овеществлении духа. [16] Он пишет: [17]
И сублимации мы делаем по трем причинам,
Первая причина - сделать тело духовным.
Вторая - чтобы дух мог быть телесным,
И стать фиксированным с ним и единосущным.
Третья причина - чтобы от его грязного начала.
Он может быть очищен, и его соленость сернистая
Может быть уменьшена в нем, что заразно.
Энтальпия сублимации обычно предсказывается с помощью теоремы о равнораспределении . Если энергия решетки предполагается приблизительно равной половине энергии упаковки, [ необходимо разъяснение ], то для предсказания энтальпии сублимации можно применить следующие термодинамические поправки. Предположение об идеальном газе с молярной концентрацией 1 дает поправку на термодинамическую среду (давление и объем), в которой pV = RT, следовательно, поправку 1RT. Затем необходимо применить дополнительные поправки на колебания , вращения и трансляцию. Из теоремы о равнораспределении газообразные вращение и трансляция вносят вклад в конечное состояние в размере 1,5RT каждое, следовательно, поправка +3RT. Кристаллические колебания и вращения вносят вклад в начальное состояние в размере 3RT каждое, следовательно, −6RT. Суммирование поправок RT; −6RT + 3RT + RT = −2RT. [18] Это приводит к следующей приблизительной энтальпии сублимации. Аналогичное приближение можно найти для члена энтропии , если предположить, что тела твердые. [19] [20]
Печать сублимацией — это технология цифровой печати с использованием полноцветных изображений, которая работает с полиэфирными и полимерными подложками. Также называемая цифровой сублимацией, этот процесс обычно используется для декорирования одежды, знаков и баннеров, а также новинок, таких как чехлы для мобильных телефонов, таблички, кофейные кружки и другие предметы с поверхностями, пригодными для сублимации. В этом процессе используется наука сублимации, при которой тепло и давление применяются к твердому телу, превращая его в газ посредством эндотермической реакции без прохождения через жидкую фазу. [ необходима цитата ]
В сублимационной печати уникальные сублимационные красители переносятся на листы «трансферной» бумаги с помощью жидких гелевых чернил через пьезоэлектрическую печатающую головку. Чернила наносятся на эти высоковыделяющиеся струйные бумаги, которые используются для следующего этапа процесса сублимационной печати. После того, как цифровой дизайн напечатан на сублимационных трансферных листах, он помещается на термопресс вместе с подложкой, подлежащей сублимации. [ необходима цитата ]
Для переноса изображения с бумаги на подложку требуется процесс термопрессования, который представляет собой комбинацию времени, температуры и давления. Термопресс применяет эту специальную комбинацию, которая может меняться в зависимости от подложки, для «переноса» сублимационных красителей на молекулярном уровне в подложку. Наиболее распространенные красители, используемые для сублимации, активируются при температуре 350 градусов по Фаренгейту. Однако для оптимального цвета обычно рекомендуется диапазон от 380 до 420 градусов по Фаренгейту. [ необходима цитата ]
Результатом процесса сублимации является почти постоянный, высокоразрешающий, полноцветный отпечаток. Поскольку красители вливаются в субстрат на молекулярном уровне, а не наносятся на поверхность (как при трафаретной печати и прямой печати на одежде), отпечатки не будут трескаться, выцветать или отслаиваться от субстрата в нормальных условиях. [ необходима цитата ]
Медиа, связанные с сублимацией на Wikimedia Commons