ЗВОРОТНЕ СУБЛІМАЦІЯ: ПОНЯТТЯ ТА ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Зворотній сублімація є термодинамічним процесом , в якому відбувається зміна зі стану екзотермічної газу в тверде тіло , не ставши спочатку рідини. Він також відомий за назвами регресивної сублімації, десублімації чи осадження; останній найбільше використовується в шкільних та енциклопедичних текстах.

Зворотна сублімація вважається екзотермічним процесом, оскільки газоподібні частинки (атоми або молекули) повинні втрачати енергію, вивільняючи тепло в навколишнє середовище; таким чином, щоб охолонути достатньо для утворення кристалів, затвердіння або застигання на поверхні.

Зворотне сублімація відбувається там, де є достатньо холодна поверхня, щоб кристали могли бути осаджені на ній безпосередньо з газової фази. Джерело: Pixabay.

Слово «осадження» (а не «осадження») означає, що частинка осідає з газоподібної фази без змочування приймальної поверхні. Ось чому явища зворотного сублімації часто зустрічаються на крижаних предметах; наприклад, з морозом, що осідає на листках або зимових пейзажах.

Таке осадження часто виявляється тонким шаром кристалів; хоча він також може бути з явного порошку або глини. Керуючи цим процесом, можна проектувати нові багатошарові матеріали, де кожен шар складається з певного твердого речовини, осадженого хімічними або фізичними процесами.

Концепція зворотного сублімації

Зворотна сублімація, як показує сама назва, є протилежним явищу сублімації: вона починається не від твердого речовини, яке випаровується, а з газу, який твердне або замерзає.

Якщо ви міркуєте молекулярно, буде дивовижно, що газ здатний охолонути до тієї точки, коли він навіть не конденсується в першу чергу; тобто переходить у рідкий стан.

Роль поверхні

Газ, сильно невпорядкований і дифузний, раптом вдається переставити свої частинки і утвердитися як твердий (незалежно від зовнішнього вигляду).

Саме по собі це буде кінетично і термодинамічно складно, оскільки йому потрібна опора, яка отримує газові частинки і концентрує їх так, щоб вони взаємоділи між собою, втрачаючи енергію; тобто поки вони охолоджуються. Тут бере участь поверхня, що піддається впливу газу: служить опорою і теплообмінником.

Частинки газу обмінюються теплом з більш холодною або крижаною поверхнею, тому вони сповільнюються і потроху утворюються перші кристалічні ядра. На цих ядрах, холодніших за навколишній газ, починають відкладатися інші частинки, які входять у їх структуру.

Кінцевим результатом цього процесу є те, що на поверхні утворюється шар кристалів або твердого тіла.

Умови

Для того, щоб відбулося зворотне сублімація, зазвичай має існувати будь-яке з цих двох умов: поверхня, яка контактує з газом, повинна мати температуру нижче її температури замерзання; або газ повинен бути переохолоджений таким чином, що як тільки він торкається поверхні, він осідає, коли порушує його стійкість до мети.

З іншого боку, осадження також може відбуватися, коли газ гарячий. Якщо поверхня буде досить прохолодною, висока температура газу перенесеться на неї раптово і змусить її частинки адаптуватися до структури поверхні.

Насправді існують методи, коли поверхня навіть не повинна бути холодною, оскільки вона бере участь безпосередньо в реакції з газоподібними частинками, які закінчуються ковалентно (або металево), нанесеними на неї.

У технологічній галузі широко застосовується методологія, яка працює за цим принципом і називається хімічним осадженням пари шляхом горіння.

Приклади зворотного сублімації

Пиво одягнене як наречена

Коли пиво настільки холодне, що стакан його пляшки покривається білим кольором, коли його виймають з холодильника, кажуть, що він одягнений як наречена.

Пляшка пива забезпечує необхідну площу поверхні для молекул водяної пари H ₂ O для стикання та швидкої втрати енергії. Якщо скло чорне, ви помітите, як воно стає нізвідки білим, і ви можете відірвати його за допомогою нігтя, щоб писати повідомлення або малювати на ньому малюнки.

Іноді осадження вологості з навколишнього середовища таке, що пиво видається вкритим білим морозом; але ефект триває недовго, тому що в міру протікання хвилин він конденсується і зволожує руку тих, хто його тримає і п'є.

Мороз

Подібно до того, що відбувається на стінах пива, мороз осідає на внутрішніх стінках деяких холодильників. Так само ці шари крижаних кристалів спостерігаються в природі на рівні землі; вона не падає з неба на відміну від снігу.

Переохолоджена водяна пара стикається з поверхнею листя, дерев, трави тощо, і закінчується, віддаючи їм тепло, щоб охолонути і мати можливість осісти на них, і проявлятися в їх характерних і променистих кристалічних візерунках.

Фізичне осадження

Досі говорили про воду; А як щодо інших речовин чи сполук? Якщо, наприклад, у камері є газоподібні золоті частинки і введений холодний і стійкий предмет, то на ній буде осідати шар золота. Те саме було б з іншими металами чи сполуками, якщо вони не потребують підвищення тиску чи вакууму.

Щойно було описано, це метод, який називається фізичним осадженням, і він використовується в промисловості матеріалів для створення металевих покриттів на конкретних деталях. Тепер проблема полягає в тому, як отримати газоподібні атоми золота без великого споживання енергії, оскільки потрібні дуже високі температури.

Саме там надходить вакуум, щоб полегшити перехід від твердого речовини до газу (сублімація), а також використання пучків електронів.

Сажу на стінах димоходу часто наводять як приклад фізичного осадження; хоча дуже дрібні частинки вуглецю, вже в твердому стані і суспендовані в димі, просто осідають, не зазнаючи зміни стану. Це призводить до почорніння стін.

Хімічне осадження

Якщо між газом і поверхнею відбувається хімічна реакція, то це хімічне осадження. Ця методика є загальною для синтезу напівпровідників, при покритті полімерів бактерицидними та фотокаталітичними шарами TiO ₂ , або для забезпечення механічного захисного матеріалу, покриваючи їх ZrO ₂ .

Завдяки хімічному осадженню можливі поверхні алмазів, вольфраму, телуридів, нітридів, карбідів, кремнію, графенів, вуглецевих нанотрубок тощо.

З'єднання, які мають атом М, який повинен бути відкладений, а також сприйнятливий до термічного розпаду, можуть виводити М у структуру поверхні, щоб вона постійно приєднувалася.

Ось чому зазвичай використовують металоорганічні реагенти, які при розкладанні віддають атоми металу без необхідності отримувати його безпосередньо з нього; тобто не потрібно використовувати металеве золото, а скоріше золотого комплексу для створення бажаного золотого покриття.

Зауважте, як початкова концепція зворотного сублімації чи осадження закінчується еволюціонуванням відповідно до технологічних застосувань.

Список літератури

1. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія (8-е видання). CENGAGE Навчання.
2. Марія Естела Раффіно. (12 листопада 2019 р.). Зворотне сублімація. Відновлено з: concept.de
3. Вікіпедія. (2019). Осадження (фазовий перехід). Відновлено з: en.wikipedia.org
4. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (13 січня 2019 р.). Визначення осадження в хімії. Відновлено з: thinkco.com
5. Малескі, Маллорі. (06 грудня 2019 р.). Різниця між відкладенням і сублімацією. sciaching.com. Відновлено: sciaching.com
6. Енциклопедія прикладів (2019). Відкладення Відновлено з: example.co