ПРОГРЕСИВНА СУБЛІМАЦІЯ: КОНЦЕПЦІЯ, ПРОЦЕС ТА ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Прогресивна сублімація є термодинамічним процесом , в якому відбувається ендотермічна зміна стан безпосередньо з твердого стану газу, без попереднього утворення рідини. Поведінка твердого речовини в нормальних умовах полягає в нагріванні та плавленні; тобто зливатися. Тим часом у сублімації тверда речовина починає диміти безпосередньо, без попередньої появи крапель, що свідчить про її плавлення.

Те, що описано в параграфі вище, представлено на зображенні вище. Припустимо тверду апельсинову суміш (зліва), яка починає нагріватися. Суміш складається з двох компонентів або твердих речовин: один жовтий, а другий червоний, поєднання яких дає помаранчевий колір.

Приклад сублімації гіпотетичного оранжевого твердого речовини. Джерело: Габріель Болівар.

Червоне тверде сублімується, оскільки рідина не утворюється з нього, а закінчується осіданням (червоними трикутниками) біля основи верхньої ємності; той, який містить кубики льоду, і тому пропонує холодну поверхню. Тим часом жовте тверде тіло залишається незмінним від нагрівання (жовтий прямокутник).

Червоні трикутники або кристали осідають завдяки холодній поверхні приймальної ємності (праворуч), яка поглинає їх температуру; І навіть якщо це не відображається, розмір кубиків льоду повинен зменшуватися через поглинання тепла. Жовта тверда речовина не сублімується, і якщо ви продовжуєте нагрівати її рано чи пізно, вона розплавиться.

Концепція прогресивної сублімації

Процес

Вже говорилося, що сублімація - це зміна ендотермічного стану, оскільки для того, щоб відбутися, повинно бути теплопоглинання. Якщо тверда речовина поглинає тепло, його енергія збільшиться, тому його частинки також будуть вібрувати на більш високих частотах.

Коли ці вібрації стають дуже сильними, вони закінчуються впливом на міжмолекулярні взаємодії (не ковалентні зв’язки); і, отже, рано чи пізно частинки будуть віддалятися далі одне від одного, поки їм не вдається текти і вільніше рухатися по регіонах простору.

У деяких твердих тілах вібрації настільки сильні, що деякі частинки "вистрілюють" із структури замість агломерування в рухомих скупченнях, що визначають крапельку. Ці частинки виходять і інтегрують перший «міхур», який швидше прийшов би утворювати перші пари сублімованого твердого тіла.

Тоді ми говоримо не про температуру плавлення, а про температуру сублімації. Хоча обидва залежать від тиску, що переважає на твердому тілі, точка сублімації тим більше; тому його температура значно змінюється зі зміною тиску (як і температура кипіння).

Від твердої структури до газоподібних розладів

У сублімації також йдеться про збільшення ентропії системи. Енергетичні стани частинок переходять від обмеження їх фіксованого положення в твердій структурі, до гомогенізації в їх примхливих і хаотичних напрямках у більш рівномірному газоподібному стані, де вони, нарешті, набувають середню кінетичну енергію.

Фазова діаграма і потрійна точка

Точка сублімації залежить від тиску; Тому що в іншому випадку тверді частинки поглинають тепло не для того, щоб вистрілювати в простір поза твердим тілом, а утворювати крапельки. Він би не сублімував, а розплавився б або розтанув, як це найчастіше.

Чим більший зовнішній тиск, тим менша ймовірність сублімації, оскільки тверда речовина змушена плавитися.

Але які тверді речовини є сублімуючими, а які ні? Відповідь полягає у ваших фазових діаграмах P vs T, як показана нижче:

Фазова схема гіпотетичної речовини. Джерело: Габріель Болівар.

Потрібно спочатку подивитися на потрійну точку і пройти нижній відрізок: той, що розділяє твердий і газоподібний стан. Зауважимо, що в області твердого тіла має бути падіння тиску, щоб відбулося сублімацію (не обов'язково при 1 атм, наш атмосферний тиск). При 1 атм гіпотетична речовина буде сублімувати до температури, вираженої в К.

Чим довший і горизонтальний переріз або крива нижче потрійної точки, тим більша здатність твердого речовини до сублімації при різних температурах; але якщо він значно нижче 1 атм, то для досягнення сублімації знадобляться високі вакууми, наприклад, тиск знижується (наприклад, 0,0001 атм).

Умови

Якщо потрійна точка в тисячі разів нижча за атмосферний тиск, тверде тіло ніколи не сублімується навіть ультра-вакуумом (не кажучи вже про його сприйнятливість до розкладання під дією тепла).

Якщо це не так, сублімації проводяться шляхом нагрівання помірно і піддавання твердого речовини вакууму, щоб його частинки легше виходили, не потребуючи в них поглинати стільки тепла.

Сублімація стає дуже важливою при роботі особливо з твердими речовинами з високим тиском пари; тобто тиск усередині, відображення ефективності їх взаємодій. Чим вищий його тиск пари, тим він більш ароматний і тим він більш піднесений.

Приклади

Очищення твердих речовин

Зображення помаранчевого твердого речовини та його сублімаційного червонуватого компонента є прикладом того, що представляє сублімація, як вона стосується очищення твердих речовин. Червоні трикутники можна повторно сублімувати, доки не буде гарантована висока чистота.

Цей прийом застосовують здебільшого з запашними твердими речовинами. Наприклад: камфора, кофеїн, бензоїн і ментол.

Серед інших твердих речовин, які можуть бути сублімацією, ми маємо: йод, лід (на великій висоті), теобромін (з шоколаду), сахарин, морфін та інші препарати, азотисті основи та антрацен.

Синтез кристала

Повертаючись до червоних трикутників, сублімація пропонує альтернативу звичайній кристалізації; Кристали більше не будуть синтезуватися з розчину, а шляхом найбільш контрольованого можливого осадження пари на холодній поверхні, де зручно можуть бути кристалічні насіння, що сприяють конкретній морфології.

Скажіть, якщо у вас є червоні квадрати, зростання кристалів збереже цю геометрію, і вони не повинні стати трикутними. Червоні квадрати поступово будуть рости по мірі сублімації. Однак це операційно-молекулярно складний комплекс, в якому бере участь багато змінних.

Прикладами кристалів, синтезованих за допомогою сублімації, є: карбід кремнію (SiC), графіт, миш’як, селен, фосфор, нітрид алюмінію (AlN), сульфід кадмію (CdS), селенід цинку (ZnSe), йодид ртуті (HgI ₂ ), графен, серед інших.

Зауважимо, що це дійсно два переплетені явища: прогресивна сублімація та відкладення (або зворотна сублімація); пара мігрує з твердого тіла в більш холодні ділянки або поверхні, остаточно осідаючи у вигляді кристалів.

Список літератури

1. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія (8-е видання). CENGAGE Навчання.
2. Вікіпедія. (2019). Сублімація (фазовий перехід). Відновлено з: en.wikipedia.org
3. Джонс, Ендрю Цимерман. (27 січня 2019 р.). Сублімація. Відновлено з: thinkco.com
4. Шейла Морріссі. (2019). Що таке сублімація в хімії? - Визначення, процес та приклади. Вивчення. Відновлено з: study.com
5. Elsevier BV (2019). Метод сублімації. ScienceDirect. Відновлено з: sciencedirect.com