PROGRESSZÍV SZUBLIMÁCIÓ: KONCEPCIÓ, FOLYAMAT ÉS PÉLDÁK - KÉMIA - 2025

A progresszív szublimáció egy olyan termodinamikai folyamat, amelyben az endoterm változás közvetlenül történik szilárd anyagból gázba, anélkül, hogy a folyadék előzetesen képződne. A szilárd anyag normál körülmények között felmelegszik és megolvad; azaz összeolvadni. Eközben a szublimációban a szilárd anyag közvetlenül elkezdi a füstölést, anélkül, hogy az olvadására utaló cseppek korábban megjelentek volna.

A fenti bekezdés bemutatja a fenti képet. Tegyük fel, hogy egy szilárd narancssárga keverék (balra) felmelegszik. A keverék két összetevőből vagy szilárd anyagból áll: az egyik sárga és a másik piros, amelyek kombinációja narancssárga színű.

Példa egy hipotetikus narancssárga szilárd anyag szublimációjára. Forrás: Gabriel Bolívar.

A piros szilárd anyag szublimál, mivel nem alakul ki folyadék, hanem lerakódik (piros háromszögek) a felső tartály aljára; amely tartalmaz jégkockákat, és ezért hideg felületet kínál. Eközben a sárga szilárd anyag hővel nem változik (sárga téglalap).

A piros háromszögek vagy kristályok a fogadó tartály hideg felületének köszönhetően (jobbra) lerakódnak, amely felveszi a hőmérsékletet; És még ha nem is látható, a jégkocka méretének csökkenni kell a hőelnyelés miatt. A sárga szilárd anyag nem letisztítható, és ha előbb-utóbb tovább melegíti, megolvad.

Progresszív szublimációs koncepció

Folyamat

Már elmondták, hogy a szublimáció endoterm állapotváltozás, mert ahhoz, hogy megtörténjen, hőelnyelésnek kell lennie. Ha a szilárd anyag elnyeli a hőt, akkor az energiája növekszik, tehát részecskéi nagyobb frekvencián is rezegnek.

Amikor ezek a rezgések nagyon erőssé válnak, végül befolyásolják az intermolekuláris kölcsönhatásokat (nem a kovalens kötéseket); és ennek következtében előbb vagy utóbb a részecskék távolabb kerülnek egymástól, amíg sikerülnek átfolyni és könnyebben mozogni a tér térségein.

Egyes szilárd anyagokban a rezgések annyira erősek, hogy egyes részecskék „kilőnek” a szerkezetből, ahelyett, hogy a cseppet meghatározó mozgó csoportokban agglomerálódnának. Ezek a részecskék elmenekülnek és integrálják az első „buborékot”, amely inkább a szublimált szilárd anyag első gőzeit képezi.

Akkor nem az olvadáspontról, hanem a szublimációs pontról beszélünk. Bár mindkettő függ a szilárd anyag uralkodó nyomástól, a szublimációs pont inkább; ezért hőmérséklete figyelemre méltóan változik a nyomás változásával (mint a forráspont).

A szilárd struktúrától a gáznemű rendellenességig

A szublimációban azt is mondják, hogy növekszik a rendszer entrópiája. A részecskék energetikai állapota az, hogy a szilárd szerkezetben levő rögzített pozícióik korlátozódnak, a szeszélyes és kaotikus irányukban egységesebb gázállapotban történő homogenizálódásig, ahol végül átlagos kinetikus energiát szereznek.

Fázisdiagram és hármas pont

A szublimációs pont a nyomástól függ; Mert egyébként a szilárd részecskék hőt abszorbeálnának, hogy ne a szilárd anyagon kívülre kerüljenek, hanem cseppecskéket képezzenek. Nem szublimál, hanem megolvad vagy megolvad, ahogy a leggyakoribb.

Minél nagyobb a külső nyomás, annál kevésbé valószínű a szublimáció, mivel a szilárd anyag megolvad.

De mely szilárd anyagok letisztulnak, és melyek nem? A válasz a P vs T fázisdiagramjaiban rejlik, hasonlóan az alábbiakhoz:

Hipotetikus anyag fázisdiagramja. Forrás: Gabriel Bolívar.

Először meg kell vizsgálnunk a hármas pontot, és át kell mennünk az alsó szakaszon: az, amely elválasztja a szilárd és gáznemű állapotokat. Vegye figyelembe, hogy a szilárd anyag területén a szublimációhoz nyomásesésnek kell esnie (nem feltétlenül 1 atm-en, a légköri nyomáson). 1 atm-en a feltételezett anyag szublimálódik a K hőmérsékleten kifejezett Ts hőmérsékleten.

Minél hosszabb és vízszintes a metszet vagy görbe a hármaspont alatt, annál nagyobb a szilárd anyag képessége szublimálódni különböző hőmérsékleteken; de ha ez jóval 1 atm alatt van, akkor nagy vákuumra van szükség a szublimáció eléréséhez, úgy, hogy a nyomások alacsonyabbak legyenek (például 0,0001 atm).

feltételek

Ha a hármas pont több ezer alkalommal alacsonyabb, mint a légköri nyomás, a szilárd anyag soha nem szublimál.

Ha nem ez a helyzet, akkor a szublimációkat mérsékelten melegítéssel és a szilárd anyag vákuumnak való kitettségével hajtják végre, hogy részecskéi könnyebben távozzanak anélkül, hogy annyira hőt kellene elnyelniük.

A szublimáció nagyon fontos, ha különösen a magas gőznyomású szilárd anyagokkal foglalkozunk; vagyis a belső nyomás, kölcsönhatásuk hatékonyságának tükröződése. Minél nagyobb a gőznyomása, annál illatosabb és szublimáltabb.

Példák

Szilárd anyagok tisztítása

A narancssárga szilárd anyag és annak szublimálható vöröses alkotóeleme szemlélteti, hogy a szublimáció miként képviseli a szilárd anyagok tisztítását. A piros háromszögek szükség szerint újra szublimálhatók, amíg a nagy tisztaságot garantálják.

Ezt a technikát főleg illatos szilárd anyagokkal használják. Például: kámfor, koffein, benzoin és mentol.

A szublimációs szublimációs szilárd anyagok között jód, jég (nagy tengerszint feletti magasságban), teobromin (csokoládéból), szacharin, morfin és más gyógyszerek, nitrogénbázisok és antracén található.

Kristályszintézis

Visszatérve a piros háromszögekhez, a szublimáció alternatívát kínál a hagyományos kristályosodásra; A kristályokat már nem egy oldatból szintetizálják, hanem a gőzök lehető leghatékonyabban történő lerakódásával egy hideg felületre, ahol kristályos magok lehetnek, hogy előnyben részesítsék a meghatározott morfológiát.

Mondja, ha van piros négyzete, akkor a kristálynövekedés megtartja ezt a geometriát, és nem válhat háromszög alakúvá. A vörös négyzetek fokozatosan növekednek, amikor a szublimáció megtörténik. Ez azonban egy operatívan és molekulárisan összetett komplex, amelyben sok változó részt vesz.

A szublimációval szintetizált kristályok példái: szilícium-karbid (SiC), grafit, arzén, szelén, foszfor, alumínium-nitrid (AlN), kadmium-szulfid (CdS), cink-szelenid (ZnSe), higany-jodid (HgI ₂₎), grafén.

Vegye figyelembe, hogy ezek valójában két összefonódott jelenség: progresszív szublimáció és lerakódás (vagy fordított szublimáció); a gőz a szilárd anyagból a hűvösebb régiókba vagy felületekbe vándorol, végül kristályok formájában ülepedik le.

Irodalom

1. Whitten, Davis, Peck és Stanley. (2008). Kémia (8. kiadás). CENGAGE Tanulás.
2. Wikipedia. (2019). Szublimáció (fázisátmenet). Helyreállítva: en.wikipedia.org
3. Jones, Andrew Zimmerman. (2019. január 27.). Szublimáció. Helyreállítva: gondolat.com
4. Sheila Morrissey. (2019). Mi a szublimáció a kémiában? - Meghatározás, folyamat és példák. Tanulmány. Helyreállítva: study.com
5. Elsevier BV (2019). Szublimációs módszer. ScienceDirect. Helyreállítva: sciencedirect.com