Страница полузащищенная
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен из сублимации (химия) )
Перейти к навигации Перейти к поиску

«Сублиматы» перенаправляются сюда. Чтобы узнать о других значениях, см. Сублимация .
Темно - зеленые кристаллы из никелоцена , сублимированные и недавно осаждаются на холодный палец

Сублимация является переход вещества непосредственно из твердого вещества в газовом состоянии, [1] , не проходя через жидкое состояние. [2] Сублимация - это эндотермический процесс, который происходит при температурах и давлениях ниже тройной точки вещества на его фазовой диаграмме , что соответствует самому низкому давлению, при котором вещество может существовать в виде жидкости. Обратный процесс сублимации - это осаждение или десублимация, при котором вещество переходит непосредственно из газа в твердую фазу. [3]Сублимация также использовалась как общий термин для описания перехода от твердого тела к газу (сублимация), за которым следует переход от газа к твердому телу ( осаждение ). [4] В то время как испарение жидкости в газ происходит как испарение с поверхности, если оно происходит ниже точки кипения жидкости, и как кипение с образованием пузырьков внутри жидкости, если оно происходит при температуре кипения, нет такое различие для перехода твердое тело в газ, которое всегда происходит как сублимация с поверхности.

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 требуется промежуточное жидкое состояние. Упомянутое давление - это парциальное давление вещества, а не полное (например, атмосферное) давление всей системы. Таким образом, все твердые вещества, обладающие заметным давлением пара при определенной температуре, обычно могут сублимироваться на воздухе (например, водяной лед чуть ниже 0 ° C). Для некоторых веществ, таких как углерод и мышьяк , сублимация намного проще, чемиспарение из расплава, поскольку давление их тройной точки очень велико, и получить их в виде жидкостей сложно.

Термин сублимация относится к физическому изменению в состоянии и не используется для описания трансформации твердого вещества в газу в химической реакции. Например, диссоциация при нагревании твердого хлорида аммония до хлористого водорода и аммиака - это не сублимация, а химическая реакция. Точно так же возгорание свечей, содержащих парафин , до углекислого газа и водяного пара - это не сублимация, а химическая реакция с кислородом.

Сублимация вызывается поглощением тепла, которое дает некоторым молекулам достаточно энергии, чтобы преодолеть силы притяжения своих соседей и уйти в паровую фазу. Поскольку процесс требует дополнительной энергии, это изменение эндотермическое . Энтальпия сублимации (также называемая теплотой сублимации) может быть вычислена путем добавления энтальпии плавления и энтальпии испарения .

Сравнение фазовых диаграмм диоксида углерода (красный) и воды (синий), показывающих точку сублимации диоксида углерода (в центре слева) при 1 атмосфере. Когда сухой лед нагревается, он пересекает эту точку по жирной горизонтальной линии от твердой фазы непосредственно к газовой. С другой стороны, вода проходит через жидкую фазу при 1 атмосфере.

Примеры

Углекислый газ

Сублимация сухого льда на воздухе

Твердый диоксид углерода ( сухой лед ) сублимируется повсюду вдоль линии ниже тройной точки (например, при температуре -78,5 ° C (194,65 K, -109,30 ° F) при атмосферном давлении , тогда как его плавление в жидкий CO 2 может происходить только вдоль линии при давлениях и температурах выше тройной точки (т. е. 5,2 атм, –56,4 ° C).

Вода

Снег и лед возвышаются, хотя и медленнее, при температурах ниже линии температуры замерзания / точки плавления при 0 ° C для парциального давления ниже давления тройной точки 612 Па (0,0006 атм). [5] При сушке вымораживанием обезвоживаемый материал замораживают, а его воде дают возгоняться при пониженном давлении или вакууме. Выпадение снега со снежного поля во время холодов часто вызвано воздействием солнечного света непосредственно на верхние слои снега. Абляция - это процесс, включающий сублимацию и эрозионный износ ледникового льда .

Нафталин

Нафталин , органическое соединение, обычно обнаруживаемое 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 сублимируется при стандартной температуре воздуха [6] с точкой сублимации около 80  ° C или 176  ° F. [7] При низкой температуре его давление пара достаточно высокое, 1  мм рт. Ст. При 53  ° C, [8], чтобы заставить твердую форму нафталина испаряться в газ. На прохладных поверхностях пары нафталина затвердевают с образованием игольчатых кристаллов.

Экспериментальная установка для реакции сублимации нафталина. Твердый нафталин сублимируется и образует кристаллическую структуру на дне часового стекла.
Твердое соединение нафталина возгоняется, образуя кристаллическую структуру на прохладной поверхности.

Другие вещества

Камфора возгоняется в холодном пальце . Неочищенный продукт на дне темно-коричневый; белый очищенный продукт на нижней части холодного пальца вверху плохо различим на светлом фоне.

Йод выделяет пары при слабом нагревании, хотя он выше тройной точки и, следовательно, не является настоящей сублимацией. Можно получить жидкий йод при атмосферном давлении, контролируя температуру чуть выше точки плавления йода. В судебной медицине пары йода могут выявить скрытые отпечатки пальцев на бумаге. [9] Мышьяк также может возгоняться при высоких температурах.

Кадмий и цинк не подходят для использования в вакууме, потому что они возгоняют намного больше, чем другие распространенные материалы. [ необходима цитата ]

Очищение сублимацией

Кристаллы ферроцена после очистки сублимацией в вакууме

Сублимация - это метод, используемый химиками для очистки соединений . Твердое вещество обычно помещают в устройство для сублимации и нагревают в вакууме . При пониженном давлении твердое вещество улетучивается и конденсируется в виде очищенного соединения на охлажденной поверхности ( холодный палец ), оставляя после себя нелетучий остаток примесей . После прекращения нагрева и снятия вакуума очищенное соединение может быть собрано с охлаждающей поверхности. [10] [11] Для еще более высокой эффективности очистки температурный градиентприменяется, что также позволяет разделить разные фракции. В типичных установках используется вакуумированная стеклянная трубка, которая постепенно регулируется и нагревается. Поток материала идет от горячего конца, где помещается исходный материал, к холодному концу, который соединен со стойкой насоса. Регулируя температуру по длине трубы, оператор может контролировать зоны повторной конденсации, при этом очень летучие соединения полностью откачиваются из системы (или улавливаются отдельной холодной ловушкой ), а умеренно летучие соединения повторно конденсируются вдоль трубки в соответствии с их различной летучестью и нелетучими соединениями, остающимися в горячем конце. Вакуумная сублимация этого типа также является предпочтительным методом очистки органических соединений для использования впромышленность органической электроники , где требуется очень высокая чистота (часто> 99,99%), чтобы соответствовать стандартам для бытовой электроники и других приложений.

Историческое использование

В древней алхимии , протонауке, которая внесла свой вклад в развитие современной химии и медицины, алхимики разработали структуру основных лабораторных методов, теории, терминологии и экспериментальных методов. Сублимация использовалась для обозначения процесса, в котором вещество нагревается до пара, а затем немедленно собирается в виде осадка на верхней части и горловине теплоносителя (обычно реторте или перегонной камере ), но также может использоваться для описания других подобных нелабораторные переходы. Это было упомянуто авторами-алхимиками, такими как Бэзил Валентин и Джордж Рипли , а также в Rosariumphilusphorum., как процесс, необходимый для завершения magnum opus . Здесь слово сублимация использовалось для описания обмена «телами» и «духами», подобного лабораторному фазовому переходу между твердыми телами и газами. Валентин в своей работе Le char triomphal de l'antimoine (Триумфальная колесница сурьмы, опубликованная в 1646 году) сравнил ее со спагириками, в которых сублимация овощей может использоваться для разделения спиртов в вине и пиве. [12] Рипли использовал язык, более показывающий мистические последствия сублимации, указывая на то, что этот процесс имеет двойной аспект: одухотворение тела и телесное преобразование духа. [13] Он пишет: [14]

А сублимации мы делаем по трем причинам
. Первая причина - сделать тело духовным.
Во-вторых, дух может быть телесным,
и стать с ним единосущным.
Третья причина - грязный оригинал.
Он может быть очищен, и его соленость
может быть уменьшена в нем, что заразно.

Предсказания сублимации

Энтальпия сублимации имеет обычно была предсказана , используя теорему равнораспределения . Если предполагается, что энергия решетки составляет приблизительно половину энергии упаковки, [ необходимо пояснение ], то для предсказания энтальпии сублимации могут быть применены следующие термодинамические поправки. Принятие 1 молярного идеального газа дает поправку на термодинамическую среду (давление и объем), в которой pV = RT, следовательно, поправка на 1RT. Затем необходимо внести дополнительные поправки на вибрацию , вращение и перемещение. Из теоремы о равнораспределениигазовое вращение и поступление вносят вклад в 1,5RT каждое в конечное состояние, поэтому поправка + 3RT. Кристаллические колебания и вращения вносят вклад в 3RT каждое в начальное состояние, следовательно, −6RT. Суммирование поправок RT; −6RT + 3RT + RT = −2RT. [15] Это приводит к следующей приблизительной энтальпии сублимации. Аналогичное приближение можно найти для члена энтропии, если предположить твердые тела. [16] [17]

Сублимационная печать на красителях

Основная статья: Сублимационный принтер красителя

Печать с использованием красителя - это технология цифровой печати с использованием полноцветных изображений, работающая с подложками с полиэфирным и полимерным покрытием. 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 поверхностями, пригодными для сублимации. В этом процессе используется наука о сублимации, в которой к твердому телу прикладываются тепло и давление, превращая его в газ в результате эндотермической реакции без прохождения через жидкую фазу.

При сублимационной печати уникальные сублимационные красители переносятся на листы «трансферной» бумаги с помощью жидких гелевых чернил через пьезоэлектрическую печатающую головку. Чернила наносятся на эту бумагу для струйной печати с высоким высвобождением, которая используется на следующем этапе процесса сублимационной печати. После того, как цифровой дизайн напечатан на листах сублимационного переноса, он помещается на термопресс вместе с субстратом, который необходимо сублимировать.

Чтобы перенести изображение с бумаги на основу, требуется процесс термического прессования, который представляет собой сочетание времени, температуры и давления. Термопресс применяет эту особую комбинацию, которая может меняться в зависимости от подложки, для «переноса» сублимационных красителей на молекулярный уровень 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.

Конечным результатом процесса сублимации является почти постоянная полноцветная печать с высоким разрешением. Поскольку красители вводятся в субстрат на молекулярном уровне, а не наносятся на местном уровне (например, при трафаретной печати и прямой печати на одежде), отпечатки не будут трескаться, блекнуть или отслаиваться от субстрата в нормальных условиях.

Смотрите также

  • Абляция
  • Энтальпия сублимации
  • Сублимационной сушки
  • Ожог в морозильной камере - общий процесс сублимации
  • Фазовая диаграмма

Стол

Фазовые переходы вещества (
  • v
  • т
  • е
)
базовыйК
ТвердыйЖидкостьГазПлазма
ИзТвердыйПлавлениеСублимация
ЖидкостьЗамораживаниеИспарение
ГазОтложениеКонденсацияИонизация
ПлазмаРекомбинация

Рекомендации

  1. ^ "Сублимируйте" . Словарь Мерриама-Вебстера .
  2. ^ Whitten, Kenneth W .; Gailey, Kenneth D .; Дэвис, Раймонд Э. (1992). Общая химия (4-е изд.). Издательство колледжа Сондерс. п. 475 . ISBN 0-03-072373-6.
  3. ^ Борейко, Джонатан Б .; Хансен, Райан Р .; Мерфи, Кевин Р .; Натх, Саураб; Реттерер, Скотт Т .; Коллиер, К. Патрик (2016). «Контроль образования конденсата и инея с помощью химических микрорельефов» . Научные отчеты . 6 : 19131. Bibcode : 2016NatSR ... 619131B . DOI : 10.1038 / srep19131 . PMC 4726256 . PMID 26796663 .  
  4. ^ "Возвышенное" . Dictionary.com Без сокращений . Случайный дом .
  5. ^ Faßnacht, СР (2004). «Оценка недозаготовки снегопадов, сублимации снежного покрова и метели на шести участках в соседних США». Hydrol. Процесс . 18 (18): 3481–3492. Bibcode : 2004HyPr ... 18.3481F . DOI : 10.1002 / hyp.5806 .
  6. ^ Кэролл, J. (2014). Гидраты природного газа . п. 16. ISBN 9780128005750.
  7. ^ Штатный писатель (ы) (2015). "какие твердые тела проходят сублимацию?" . Национальный научный фонд и партнерство школы и университета UCSB . Проверено 13 ноября 2015 года .
  8. Перейти ↑ Pavia, D. (2005). Введение в органическую лабораторную технику . С. 781–782. ISBN 978-0534408336.
  9. ^ Жирар, Джеймс (2011). Криминалистика: криминалистика, преступность и терроризм . Джонс и Бартлетт Обучение. С. 143–144. ISBN 978-0-7637-7731-9.
  10. ^ РБ Кинг Металлоорганический синтез . Том 1 Соединения переходных металлов; Academic Press: Нью-Йорк, 1965. ISBN 0-444-42607-8 . 
  11. ^ Харвуд, Лоуренс М .; Муди, Кристофер Дж. (1989). Экспериментальная органическая химия: принципы и практика (иллюстрированный ред.). WileyBlackwell. С.  154–155 . ISBN 978-0-632-02017-1.
  12. ^ Барретт, Фрэнсис (1815). Жизнь философов-алхимиков: с критическим каталогом книг по оккультной химии и подборкой наиболее известных трактатов по теории и практике герметического искусства . Макдональд и сын для Lackington, Allen, & Co. стр. 233 .
  13. ^ DiBernard, Барбара (1980). Алхимия и пробуждение по Финнегану . SUNY Нажмите. п. 57 . ISBN 978-0873953887.
  14. ^ Рипли, Джордж (1591). Соединение алхимии .
  15. ^ Gavezzotti, A. (1997). Теоретические аспекты и компьютерное моделирование молекулярного твердого тела . Чичестер: Wiley and Sons.
  16. ^ МакДонах, JL; Натх; Де Феррари, Луна; Ван Моурик, Таня; Митчелл, Джон Б.О. (2014). «Объединение хеминформатики и химической теории для предсказания внутренней растворимости в воде кристаллических лекарствоподобных молекул» . Журнал химической информации и моделирования . 54 (3): 844–56. DOI : 10.1021 / ci4005805 . PMC 3965570 . PMID 24564264 .  
  17. ^ МакДонах, Джеймс; Палмер, Дэвид С .; Ван Моурик, Таня; Митчелл, Джон Б.О. (17 октября 2016 г.). "Является ли сублимационная термодинамика органических молекул предсказуемой?" (PDF) . Журнал химической информации и моделирования . 56 (11): 2162–2179. DOI : 10.1021 / acs.jcim.6b00033 . ЛВП : 10023/11874 . ISSN 1549-9596 . PMID 27749062 .   

внешняя ссылка

  • СМИ, связанные с сублимацией, на Викискладе?