Примеры сублимации и десублимации в физике и химии

Что такое сублимация

Слово происходит от латинского «sublime», что означает «возвышать». Этот процесс возможен потому, что давление паров твердого тела выше атмосферного давления вокруг него. Поэтому твердое тело подвергается сублимации при нагревании или воздействии вакуума.

Источник: chemport.ru

Термин «сублимация» относится к изменению физического состояния и не используется для обозначения химической реакции, в результате которой твердое вещество превращается в газ.

Сублимация в химии

Органические соединения с ковалентными связями обладают большей склонностью к сублимации по сравнению с ионными молекулами. Это объясняется тем, что связи в органических соединениях могут быть разорваны с относительно небольшими затратами энергии.

Процесс сублимации включает в себя следующие этапы:

1. Нагрев твердого вещества: сублимируемое вещество нагревается, обычно с помощью источника тепла, например, бунзеновской горелки или электронагревателя. Под действием тепла твердое вещество приобретает энергию и превращается непосредственно в газ.
2. Конденсация газа: Полученный из твердого тела газ охлаждается и конденсируется. Процесс конденсации обычно происходит на холодной поверхности, например, в холодной мензурке или колбе. При охлаждении газ теряет энергию и снова превращается в твердое тело.
3. Сбор сублимата: Твердое вещество, полученное в результате процесса сублимации, называется сублиматом. Он собирается и хранится в чистом, сухом контейнере. Чистоту сублимата можно повысить, повторив процесс сублимации несколько раз.

Кристаллический йод и затвердевший углекислый газ являются химическими веществами, которые сублимируют при стандартных температурах окружающей среды и атмосферном давлении. Однако подавляющее большинство химических соединений и элементов могут существовать во всех трех формах (твердой, жидкой и газообразной) при стандартных давлениях и температурах. В таких случаях для перехода твердого тела в газ необходима стадия перехода жидкости в газ.

При нагревании твердого хлорида аммония он диссоциирует на хлористый водород и аммиак. В результате этой химической реакции образуются различные продукты. Отсюда можно сделать вывод, что данный процесс является химическим по своей природе, а не сублимационным. Свечи, изготовленные из парафина, не подвергаются сублимации. Вместо этого они вступают в химическую реакцию с кислородом, в результате чего при их горении образуются углекислый газ и водяной пар.
Твердые соединения, подвергающиеся сублимации, обычно имеют слабые межмолекулярные силы. Примерами таких соединений являются камфора, антрацен, нафталин и пирен.

Сублимация в физике

Этот процесс представляет собой эндотермический фазовый переход, происходящий при температуре и давлении ниже тройной точки вещества.

При нормальном давлении большинство химических соединений и элементов при различных температурах демонстрируют три различных состояния. В этих случаях переход из твердого состояния в газообразное обычно сопровождается промежуточным жидким состоянием. Давление в данном контексте относится именно к парциальному давлению самого вещества, а не к общему давлению всей системы, например, атмосферному. Поэтому любое твердое вещество может подвергнуться сублимации, если давление его паров превышает окружающее парциальное давление вещества, причем в некоторых случаях сублимация происходит с заметной скоростью. Некоторые вещества проявляют большую склонность к сублимации по сравнению с испарением из жидкого состояния. Это часто связано с тем, что они имеют значительно высокое давление тройной точки, что создает трудности при получении их в жидком состоянии.

Примеры

Существуют различные примеры сублимации, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни.

Лучшим примером сублимации является сухой лед, представляющий собой замороженную форму углекислого газа. При контакте с воздухом он непосредственно переходит из твердого состояния в газообразное, что проявляется в виде тумана. Замороженный углекислый газ в газообразном состоянии более устойчив, чем в твердом. Сухой лед используется в холодильных установках, так как он очень холодный, около -78°C.

Другим известным примером сублимации является нафталин, представляющий собой органическое соединение. Нафталин обычно содержится в пестицидах, например в нафталине. Сублимация этого органического соединения обусловлена наличием неполярных молекул, удерживаемых межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса. Нафталиновые шарики используются в пестицидном бизнесе для отпугивания насекомых и моли. При температуре 80°C нафталин сублимируется с образованием паров. На холодной поверхности он десублимируется, образуя игольчатые кристаллы.

Космические агентства используют эту технологию для питания людей на орбите высококачественной пищей. Этот метод применяется в тех случаях, когда пищевой продукт необходимо хранить в течение длительного времени.
В секторе замороженных продуктов часто используется процесс сублимационной сушки. При снижении давления в окружающем пространстве замороженная вода в веществе сублимируется из твердой фазы в газовую.

Сублимация находит практическое применение в криминалистике. Иногда на месте преступления отпечатки пальцев снимаются с помощью паров йода. Пары йода возгоняются и конденсируются на остатках отпечатков пальцев, делая их видимыми. Сублимационные принтеры позволяют получать детальные и реалистичные цифровые изображения, что помогает при анализе веществ. Распечатки можно использовать сразу же после выхода из принтера, так как они быстрее высыхают. Химики обычно предпочитают сублимацию в качестве метода очистки летучих соединений. Другие химические реактивы, используемые в криминалистике, также основаны на сублимации.

1. Йод выделяет пары при слабом нагревании. Пары йода позволяют выявить скрытые отпечатки пальцев на бумаге в криминалистике.

2. В металлургии используется мышьяк — хрупкий, стально-серый, очень ядовитый металл. При высоких температурах около 615 °C мышьяк также возгоняется. Мышьяк непосредственно переходит из твердого состояния в газообразное при обычном атмосферном давлении.

3. Кадмий и цин легко сублимируются, что делает их непригодными для использования в условиях пониженного давления или вакуума. Их сублимируют в герметичных контейнерах, поскольку в противном случае они быстро исчезают.

Большинство небесных объектов, включая планеты, галактики и звезды, образуются в результате процессов аккреции. Известно, что дрейфующие камешки, вызывая потоковые неустойчивости или способствуя формированию планетарных ядер, играют важную роль в сценарии аккреции ядра. Кроме того, перспективными местами для такой активности, по-видимому, являются линии льда, содержащие легковоспламеняющиеся виды, например воду. Повышенная поверхностная энергия льда на линии водяного льда способствует его коагуляции, а сублимированный пар может распространяться по диску и оседать на гальке, обеспечивая быстрое развитие.
При этом не образуется никакого мусора, что делает процедуру безопасной и экологичной.

С помощью этого метода можно изготавливать футболки, флаги и баннеры. Сублимация используется для печати широкого спектра изделий по низкой цене, включая ручки, кофейные чашки и сумки.

Что такое десублимация

Происходит, когда газ переходит непосредственно в твердую форму, минуя жидкое состояние. Примером является образование инея на холодной поверхности, когда водяной пар в воздухе превращается в твердые кристаллы льда. Другой пример — образование снежинок из водяного пара в атмосфере.

На обратную сублимацию влияет множество факторов. В первую очередь это температура, давление и объем.

В случае замкнутой системы, находящейся при определенной температуре, заметно давление, называемое давлением пара, оказываемое паровой или газовой фазой вокруг жидкого состояния. Это происходит при динамическом равновесии между паром и жидкой фазой.

Не следует забывать и о фазовом равновесии, которое предполагает контакт по крайней мере двух состояний вещества (твердого, жидкого или газообразного) и определяется, когда химический потенциал какого-либо элемента, составляющего анализируемую систему, достигает стабильности через определенный промежуток времени.