Sublimace (fázový přechod) - Sublimation (phase transition)

Tmavě zelené krystaly z nickelocene , sublimovat a čerstvě nanesen na chladícím prstu

Sublimace je přechod látky přímo z pevného do plynného stavu, aniž by procházel kapalným stavem. Sublimace je endotermický proces, který probíhá při teplotách a tlacích pod trojitým bodem látky ve fázovém diagramu , což odpovídá nejnižšímu tlaku, při kterém může látka existovat jako kapalina. Reverzním procesem sublimace je depozice nebo desublimace, při které látka přechází přímo z plynu do pevné fáze. Sublimace byla také použita jako obecný termín pro popis přechodu z pevné látky na plyn (sublimace), po kterém následuje přechod z plynu na pevnou látku ( depozice ). Zatímco odpařování z kapaliny do plynu probíhá jako odpařování z povrchu, pokud k němu dochází pod bodem varu kapaliny, a jako var s tvorbou bublin uvnitř kapaliny, pokud k němu dochází při bodu varu, neexistuje žádný takový rozdíl pro přechod pevné látky na plyn, který vždy probíhá jako sublimace z povrchu.

Za normálních tlaků má většina chemických sloučenin a prvků tři různé stavy při různých teplotách . V těchto případech vyžaduje přechod z pevného do plynného stavu přechodný kapalný stav. Uvedený tlak je parciální tlak látky, nikoli celkový (např. Atmosférický) tlak celého systému. Všechny pevné látky, které mají při určité teplotě znatelný tlak par, mohou obvykle ve vzduchu sublimovat (např. Vodní led těsně pod 0 ° C). U některých látek, jako je uhlík a arsen , je sublimace mnohem snazší než odpařování z taveniny, protože tlak jejich trojného bodu je velmi vysoký a je obtížné je získat jako kapaliny.

Termín sublimace se odkazuje na fyzické změny ze stavu a není použit k popisu transformaci pevné látky do plynu, v chemické reakci. Například disociace při zahřívání pevného chloridu amonného na chlorovodík a amoniak není sublimace, ale chemická reakce. Podobně spalování svíček, obsahující parafinový vosk , na oxid uhličitý a vodní páru , je není sublimace, ale chemická reakce s kyslíkem.

Sublimace je způsobena absorpcí tepla, které poskytuje některým molekulám dostatek energie k překonání přitažlivých sil jejich sousedů a úniku do plynné fáze. Protože proces vyžaduje další energii, jedná se o endotermickou změnu. Entalpie sublimace (nazývaný také teplo sublimace) lze vypočítat přidáním entalpii tavení a entalpii odpařování .

Porovnání fázových diagramů oxidu uhličitého (červená) a vody (modrá) ukazujících sublimační bod oxidu uhličitého (uprostřed vlevo) v 1 atmosféře. Když se suchý led zahřívá, překračuje tento bod podél tučné vodorovné čáry z pevné fáze přímo do plynné fáze. Voda naproti tomu prochází kapalnou fází při 1 atmosféře.

Příklady

Oxid uhličitý

Sublimace suchého ledu na vzduchu

Pevný oxid uhličitý ( suchý led ) sublimuje všude podél linie pod trojným bodem (např. Při teplotě -78,5 ° C (194,65 K, -109,30 ° F) za atmosférického tlaku , zatímco k jeho roztavení na kapalný CO 2 může dojít pouze podél linie při tlacích a teplotách nad trojným bodem (tj. 5,2 atm, -56,4 ° C).

Voda

Sníh a led sublimují, i když pomaleji, při teplotách pod hranicí teploty mrazu/ teploty tání při 0 ° C pro parciální tlaky pod trojitým bodovým tlakem 612 Pa (0,0006 atm). Při lyofilizaci se dehydratovaný materiál zmrazí a jeho voda se nechá sublimovat za sníženého tlaku nebo vakua. Ztráta sněhu ze sněhového pole během chladného kouzla je často způsobena slunečním zářením působícím přímo na horní vrstvy sněhu. Ablace je proces, který zahrnuje sublimaci a erozivní opotřebení ledovcového ledu .

Naftalen

Naftalen , organická sloučenina běžně se vyskytující v pesticidech, jako jsou například můry , snadno sublimuje, protože je vyrobena z nepolárních molekul, které drží pohromadě pouze mezimolekulárními silami van der Waalsa . Naftalen je pevná látka, která sublimuje při standardní atmosférické teplotě s bodem sublimace kolem 80  ° C nebo 176  ° F. Při nízké teplotě je jeho tlak par dostatečně vysoký, 1  mmHg při 53  ° C, aby se pevná forma naftalenu odpařila na plyn. Na chladných površích páry naftalenu ztuhnou a vytvoří krystaly podobné jehličkám.

Experimentální sestava pro sublimační reakci naftalenu Tuhý naftalen sublimuje a tvoří krystalovou strukturu na dně hodinkového skla
Pevná sloučenina naftalenu sublimovaná za vzniku krystalické struktury na chladném povrchu.

Jiné látky

Kafr sublimující chladným prstem . Surový produkt na dně je tmavě hnědý; bílý čištěný produkt na dně studeného prstu nahoře je na světlém pozadí špatně vidět.

Jód produkuje výpary mírným zahříváním, i když je to nad trojným bodem, a proto nejde o skutečnou sublimaci. Je možné získat kapalný jód za atmosférického tlaku řízením teploty těsně nad bodem tání jódu. Ve forenzní vědě mohou páry jodu odhalit skryté otisky prstů na papíře. Arsen může také vznešovat při vysokých teplotách.

Kadmium a zinek nejsou vhodné materiály pro použití ve vakuu, protože sublimují mnohem více než jiné běžné materiály.

Čištění sublimací

Krystaly ferrocenu po čištění vakuovou sublimací

Sublimace je technika používaná chemiky k čištění sloučenin . Pevná látka se obvykle umístí do sublimačního zařízení a zahřívá se ve vakuu . Za tohoto sníženého tlaku se pevná látka vypařuje a kondenzuje jako čištěná sloučenina na ochlazeném povrchu ( studený prst ) a zanechává za sebou netěkavý zbytek nečistot . Jakmile se zahřívání zastaví a vakuum se odstraní, purifikovaná sloučenina může být odebrána z chladicího povrchu. Pro ještě vyšší účinnost čištění se používá teplotní gradient , který také umožňuje separaci různých frakcí. Typická nastavení používají evakuovanou skleněnou trubici, která se postupně kontrolovaně ohřívá. Tok materiálu je od horkého konce, kde je umístěn počáteční materiál, ke studenému konci, který je připojen ke stojanu čerpadla. Ovládáním teplot po celé délce trubice může obsluha ovládat zóny opětovné kondenzace, přičemž velmi těkavé sloučeniny jsou ze systému úplně čerpány (nebo zachyceny samostatným odlučovačem chladu ), mírně těkavé sloučeniny se opět kondenzují podél trubice podle jejich různých těkavostí a netěkavých sloučenin zbývajících v horkém konci. Vakuová sublimace tohoto typu je také metodou volby pro čištění organických sloučenin pro použití v průmyslu organické elektroniky , kde jsou pro splnění standardů pro spotřební elektroniku a další aplikace zapotřebí velmi vysoké čistoty (často> 99,99%).

Historické využití

Ve starověké alchymii , protovědě, která přispěla k rozvoji moderní chemie a medicíny, alchymisté vyvinuli strukturu základních laboratorních technik, teorie, terminologie a experimentálních metod. Sublimace byla použita k označení procesu, ve kterém je látka zahřívána na páru, poté se okamžitě shromažďuje jako sediment na horní části a hrdle topného média (obvykle retortová nebo alembická ), ale může být také použita k popisu jiných podobných nelaboratorní přechody. Alchymističtí autoři jako Basil Valentine a George Ripley a Rosarium philosophorum to zmínili jako proces nezbytný pro dokončení opusu magnum . Zde bylo slovem sublimace popsána výměna „těl“ a „duchů“ podobná laboratornímu fázovému přechodu mezi pevnými látkami a plyny. Valentine ve svém Le char triomphal de l'antimoine (Triumphal Chariot of Antimony, publikoval 1646) provedl srovnání se spagyrikou, ve které lze k oddělení lihovin ve víně a pivu použít sublimaci zeleniny. Ripley použil jazyk více naznačující mystické důsledky sublimace, což naznačuje, že tento proces má dvojí aspekt ve zduchovnění těla a korporalizaci ducha. Napsal:

A sublimace provádíme ze tří příčin
. První příčinou je učinit tělo duchovním.
Druhým je, že duch může být tělesný
a že se s ním zafixuje a bude nepodstatný.
Třetí příčinou je, že z jeho špinavého originálu.
Může být očištěn a jeho slanost
může být v něm snížena, což je infekční.

Sublimační předpovědi

Entalpie sublimace obyčejně byl předpověděl pomocí Ekvipartiční teorém . Pokud se předpokládá, že energie mřížky je přibližně polovina energie balení, pak lze k předpovědi entalpie sublimace použít následující termodynamické korekce. Za předpokladu, že 1 molární ideální plyn dává korekci termodynamickému prostředí (tlak a objem), ve kterém pV = RT, tedy korekce 1RT. Poté je třeba použít další opravy vibrací , rotací a translace. Z ekvipartiční věty plynná rotace a translace přispívají 1,5RT každý do konečného stavu, tedy +3RT korekce. Krystalické vibrace a rotace přispívají po 3RT do počátečního stavu, tedy -6RT. Součet oprav RT; −6RT + 3RT + RT = −2RT. To vede k následující přibližné sublimační entalpii. Podobnou aproximaci lze nalézt pro výraz entropie, pokud se předpokládají tuhá tělesa.

Sublimační tisk

Dye-sub printing je technologie digitálního tisku využívající plnobarevná umělecká díla, která pracuje se substráty potaženými polyesterem a polymerem. Tento proces, označovaný také jako digitální sublimace, se běžně používá k dekorování oděvů, nápisů a bannerů, jakož i novinek, jako jsou kryty na mobilní telefony, plakety, hrníčky na kávu a další předměty s povrchy šetrnými k sublimaci. Tento proces využívá vědu o sublimaci, ve které se na tuhou látku aplikuje teplo a tlak a přeměňuje se na plyn endotermickou reakcí, aniž by procházel kapalnou fází.

Při sublimačním tisku se jedinečné sublimační barviva přenášejí na listy „přenosového“ papíru tekutým gelovým inkoustem přes piezoelektrickou tiskovou hlavu. Inkoust se nanáší na tyto inkoustové papíry s vysokým uvolňováním, které se používají v dalším kroku procesu sublimačního tisku. Poté, co je digitální design vytištěn na sublimační přenosové archy, je umístěn na tepelný lis spolu se substrátem, který má být sublimován.

Aby bylo možné přenášet obraz z papíru na substrát, vyžaduje to proces tepelného lisování, který je kombinací času, teploty a tlaku. Tepelný lis používá tuto speciální kombinaci, která se může měnit v závislosti na substrátu, k „přenosu“ sublimačních barviv na molekulární úrovni do substrátu. Nejběžnější barviva používaná pro sublimaci se aktivují při 350 stupních Fahrenheita. Pro optimální barvu se však obvykle doporučuje rozsah 380 až 420 stupňů Fahrenheita.

Konečným výsledkem procesu sublimace je téměř trvalý, plně barevný tisk. Vzhledem k tomu, že barviva jsou vháněna do substrátu na molekulární úrovni, a nikoli aplikována na topické úrovni (například sítotiskem nebo přímým tiskem na oděvy), výtisky za normálních podmínek nepraskají, nevyblednou ani se neodlupují.

Viz také

Stůl

Fázové přechody hmoty ( )
Na
Z
Pevný Kapalina Plyn Plazma
Pevný Tání Sublimace
Kapalina Zmrazení Vypařování
Plyn Depozice Kondenzace Ionizace
Plazma Rekombinace

Reference

externí odkazy

  • Média související se sublimací na Wikimedia Commons