Сублимация – это переход вещества непосредственно из твердого состояния в газообразное , минуя жидкое состояние. [1] Глагольная форма сублимации — sublime или, что менее предпочтительно, sublimate . [2] Сублимат также относится к продукту, полученному сублимацией. [2] [3] Точка, в которой сублимация происходит быстро (подробнее см. ниже), называется критической точкой сублимации или просто точкой сублимации . Яркие примеры включают сублимацию сухого льда при комнатной температуре и атмосферном давлении, а также сублимацию твердого йода при нагревании.
Обратным процессом сублимации является осаждение (его еще называют десублимацией ), при котором вещество переходит непосредственно из газовой фазы в твердую фазу, минуя жидкое состояние. [4]
Все твердые вещества являются сублимированными, хотя большинство сублимированных веществ происходит при чрезвычайно низких скоростях, которые едва можно обнаружить. При нормальном давлении большинство химических соединений и элементов находятся в трех различных состояниях при разных температурах . В этих случаях для перехода из твердого состояния в газообразное необходимо промежуточное жидкое состояние. Упомянутое давление представляет собой парциальное давление вещества, а не общее (например, атмосферное) давление всей системы. Таким образом, любое твердое вещество может сублимироваться, если давление его паров выше окружающего парциального давления того же вещества, а в некоторых случаях сублимируется с заметной скоростью (например, водяной лед чуть ниже 0 °C).
Для некоторых веществ, например углерода и мышьяка , сублимация из твердого состояния гораздо более достижима, чем испарение из жидкого состояния, и их трудно получить в жидком виде. Это связано с тем, что давление их тройной точки на фазовой диаграмме (которое соответствует наименьшему давлению, при котором вещество может существовать в виде жидкости) очень велико.
Сублимация вызвана поглощением тепла, которое дает некоторым молекулам достаточно энергии, чтобы преодолеть силы притяжения своих соседей и перейти в паровую фазу. Поскольку процесс требует дополнительной энергии, сублимация является эндотермическим изменением. Энтальпию сублимации (также называемую теплотой сублимации) можно рассчитать, сложив энтальпию плавления и энтальпию испарения .
Хотя определение сублимации простое, часто возникает путаница относительно того, что считать сублимацией.
Парообразование (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 такого различия нет для перехода из твердого состояния в газ, который в обоих соответствующих случаях всегда называют сублимацией.
Для пояснения необходимо провести различие между двумя соответствующими случаями. Что касается фазовой диаграммы , сублимацию, которая происходит слева от границы твердое тело-газ, тройной точки или границы твердое тело-жидкость (соответствует испарению при испарении), можно назвать постепенной сублимацией ; и вещество сублимируется постепенно , независимо от скорости. Сублимацию, происходящую на границе твердое тело-газ (критическая точка сублимации) (соответствующая кипению при испарении), можно назвать быстрой сублимацией , и вещество сублимируется быстро . Обратите внимание, что слова «постепенный» и «быстрый» приобрели особое значение в таком контексте и больше не описывают скорость сублимации.
Термин «сублимация» относится конкретно к физическому изменению состояния и не используется для описания превращения твердого вещества в газ в результате химической реакции . Например, диссоциация при нагревании твердого хлорида аммония на хлористый водород и аммиак является не сублимацией, а химической реакцией. Аналогично горение свечей, содержащих парафин , до углекислого газа и водяного пара — это не сублимация, а химическая реакция с кислородом.
Сублимация исторически используется как общий термин для описания двухступенчатого фазового перехода — перехода из твердого состояния в газ (сублимация в более точном определении), за которым следует переход из газа в твердое тело ( осаждение ). [5] [6] (см. ниже)
.jpg/1280px-Dry_Ice_Vapor_(17490553041).jpg)
Твердый углекислый газ ( сухой лед ) быстро сублимирует вдоль границы твердое тело-газ (точка сублимации) ниже тройной точки (например, при температуре -78,5 °С, при атмосферном давлении ), тогда как его плавление в жидкий СО 2 может происходить вдоль граница твердого тела и жидкости ( точка плавления ) при давлениях и температурах выше тройной точки (т. е. 5,1 атм, -56,6 °C).
Снег и лед постепенно возгоняются при температурах ниже границы твердого тела и жидкости (точка плавления) (обычно 0 ° C) и при парциальном давлении ниже давления тройной точки 612 Па (0,00604 атм) с низкой скоростью. [7] При сублимационной сушке обезвоживаемый материал замораживается, а его вода подвергается сублимации при пониженном давлении или вакууме. Потеря снега со снежника во время холодов часто вызвана воздействием солнечных лучей непосредственно на верхние слои снега. Сублимация льда является фактором эрозионного износа ледникового льда , также называемого абляцией в гляциологии . [ нужна цитата ]
Нафталин , органическое соединение, обычно встречающееся в пестицидах, таких как нафталиновые шарики , легко сублимируется, поскольку состоит из неполярных молекул, которые удерживаются вместе только межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса . Нафталин представляет собой твердое вещество, которое постепенно сублимируется при стандартной температуре и давлении [8] с высокой скоростью, с критической точкой сублимации около 80 °C или 176 °F. [9] При низкой температуре давление пара достаточно велико, 1 мм рт.ст. при 53 °C, [10] чтобы твердая форма нафталина испарилась в газ. На прохладных поверхностях пары нафталина затвердевают, образуя игольчатые кристаллы.
Йод постепенно сублимируется и образует видимые пары при осторожном нагревании при стандартной атмосферной температуре . Можно получить жидкий йод при атмосферном давлении, контролируя температуру между температурой плавления и температурой кипения йода. В криминалистике пары йода могут выявить скрытые отпечатки пальцев на бумаге. [11]
Мышьяк легко сублимируется при высоких температурах.
Кадмий и цинк сублимируются гораздо сильнее, чем другие распространенные материалы, поэтому они не подходят для использования в вакууме . [ нужна цитата ]
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 улетучивается и конденсируется в виде очищенного соединения на охлажденной поверхности ( холодный палец ), оставляя после себя нелетучий остаток примесей . Как только нагрев прекращается и вакуум удаляется, очищенное соединение можно собирать с охлаждающей поверхности. [12] [13] Для еще большей эффективности очистки применяется температурный градиент , который также позволяет разделять различные фракции. В типичных установках используется вакуумированная стеклянная трубка, которая постепенно контролируемым образом нагревается. Поток материала осуществляется от горячего конца, куда помещается исходный материал, к холодному концу, соединенному с насосной стойкой. Контролируя температуры по 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 переконденсируются по длине трубки. трубки в зависимости от их летучести и нелетучих соединений, остающихся в горячем конце. Вакуумная сублимация этого типа также является предпочтительным методом очистки органических соединений для использования в промышленности органической электроники , где необходима очень высокая чистота (часто> 99,99%) для удовлетворения стандартов бытовой электроники и других приложений. [ нужна цитата ]
В древней алхимии , протонауке , которая способствовала развитию современной химии и медицины, алхимики разработали структуру основных лабораторных методов, теорию, терминологию и экспериментальные методы. Сублимация использовалась для обозначения процесса, при котором вещество нагревается до состояния пара, а затем немедленно собирается в виде осадка в верхней части и горловине нагревательной среды (обычно в реторте или перегонном кубе ), но ее также можно использовать для описания других подобных нелабораторные переходы. Он упоминался такими авторами-алхимиками, как Бэзил Валентайн и Джордж Рипли , а также в Rosarium philosophorum как процесс, необходимый для завершения великого произведения . Здесь слово « сублимация» использовалось для описания обмена «тел» и «духов», подобного лабораторному фазовому переходу между твердыми телами и газами. Валентин в своей книге Le char triomphal de l'antimoine («Триумфальная колесница сурьмы», опубликованная в 1646 году) провел сравнение со спагириками , в которых сублимация овощей может использоваться для разделения спиртов в вине и пиве. [14] Рипли использовал язык, более показательный для мистического значения сублимации, указывая, что этот процесс имеет двойной аспект: одухотворение тела и воплощение духа. [15] Он пишет: [16]
И сублимации мы совершаем по трем причинам.
Первая причина — сделать тело духовным.
Во-вторых, чтобы дух мог быть телесным,
И скрепляться с ним и единосущным.
Третья причина – это грязный оригинал.
Его можно очистить, и соленость сернистую
можно уменьшить в нем, который заразен.
Энтальпию сублимации обычно предсказывают с помощью теоремы о равнораспределении . Если предполагается, что энергия решетки составляет примерно половину энергии упаковки, [ необходимы пояснения ] , то для прогнозирования энтальпии сублимации можно применить следующие термодинамические поправки. Если предположить, что идеальный газ с молекулярной массой 1 моль дает поправку на термодинамическую среду (давление и объем), в которой pV = RT, то есть поправку 1RT. Затем необходимо применить дополнительные поправки на вибрацию , вращение и перемещение. Из теоремы о равнораспределении вращение и перемещение газа вносят вклад по 1,5RT каждый в конечное состояние, следовательно, поправка +3RT. Кристаллические вибрации и вращения вносят вклад в исходное состояние по 3RT каждая, следовательно, -6RT. Суммирование поправок RT; −6RT + 3RT + RT = −2RT. [17] Это приводит к следующей приблизительной энтальпии сублимации. Аналогичное приближение можно найти для энтропийного члена, если предполагать твердые тела. [18] [19]
Суб-печать — это технология цифровой печати с использованием полноцветных изображений, которая работает с подложками из полиэстера и полимерного покрытия. Этот процесс, также называемый цифровой сублимацией, обычно используется для украшения одежды, вывесок и баннеров, а также новинок, таких как чехлы для мобильных телефонов, таблички, кофейные кружки и другие предметы с поверхностью, подходящей для сублимации. В этом процессе используется наука о сублимации, при которой к твердому телу прикладывают тепло и давление, превращая его в газ посредством эндотермической реакции, минуя жидкую фазу. [ нужна цитата ]
При сублимационной печати уникальные сублимационные красители переносятся на листы «трансферной» бумаги посредством жидких гелевых чернил через пьезоэлектрическую печатающую головку. Чернила наносятся на бумагу для струйной печати с высоким разрешением, которая используется на следующем этапе процесса сублимационной печати. После того, как цифровой дизайн напечатан на листах сублимационного переноса, он помещается на термопресс вместе с подложкой, подлежащей сублимации. [ нужна цитата ]
Чтобы перенести изображение с бумаги на подложку, требуется процесс термопрессования, который представляет собой сочетание времени, температуры и давления. В термопрессе применяется эта специальная комбинация, 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. [ нужна цитата ]
Результатом процесса сублимации является практически постоянный полноцветный отпечаток высокого разрешения. Поскольку красители вводятся в основу на молекулярном уровне, а не наносятся на местном уровне (например, при трафаретной печати или непосредственно на одежде), отпечатки не трескаются, не выцветают и не отслаиваются от основы при нормальных условиях. [ нужна цитата ]
СМИ, связанные с сублимацией, на Викискладе?