Сублимация (фазовый переход) - Sublimation (phase transition)

«Сублиматы» перенаправляются сюда. Для использования в других целях см. Сублимация.
Темно-зеленый кристаллы из никелоцен, сублимированный и недавно нанесенный на холодный палец

Сублимация это переход вещества непосредственно из твердый к газ государственный,[1] не переходя через жидкое состояние.[2] Сублимация - это эндотермический процесс что происходит при температуре и давлении ниже, чем у вещества тройная точка в его фазовая диаграмма, что соответствует самому низкому давлению, при котором вещество может существовать как жидкость. Обратный процесс сублимации отложение или десублимация, при которой вещество переходит непосредственно из газа в твердую фазу.[3] Сублимация также использовалась как общий термин для описания перехода от твердого тела к газу (сублимации), за которым следует переход от газа к твердому телу (отложение ).[4] В то время как испарение из жидкости в газ происходит как испарение с поверхности, если это происходит ниже точки кипения жидкости, и как кипячение с образованием пузырьков внутри жидкости, если это происходит при температуре кипения, нет такого различия для перехода твердое тело в газ, которое всегда происходит как сублимация с поверхности.

В нормальное давление, наиболее химические соединения и элементы иметь три разных состояния в разных температуры. В этих случаях переход от твердого тела к газообразное состояние требует промежуточного жидкого состояния. Упомянутое давление - это частичное давление вещества, а не Всего (например, атмосферное) давление всей системы. Итак, все твердые тела, обладающие заметной давление газа при определенной температуре обычно может возгораться на воздухе (например, водяной лед чуть ниже 0 ° C). Для некоторых веществ, таких как углерод и мышьяк, сублимация намного проще, чем испарение из расплава, потому что давление их тройная точка очень высока, и их трудно получить в жидком виде.

Период, термин сублимация относится к физическое изменение из штат и не используется для описания превращения твердого вещества в газ в химической реакции. Например, диссоциация при нагревании твердого тела хлорид аммония в хлористый водород и аммиак нет сублимация, но химическая реакция. Аналогично горению свечей, содержащих парафиновая свеча, чтобы углекислый газ и водяной пар является нет сублимация, а химическая реакция с кислородом.

Сублимация вызывается поглощением тепла, которое дает некоторым молекулам достаточно энергии, чтобы преодолеть силы притяжения соседей и уходят в паровую фазу. Поскольку процесс требует дополнительной энергии, это эндотермический изменять. В энтальпия сублимации (также называемая теплотой сублимации) можно рассчитать, добавив энтальпия плавления и энтальпия 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

Сухой лед сублимация в воздухе

Твердый углекислый газ (сухой лед ) возгоняется повсюду вдоль линии ниже тройной точки (например, при температуре −78,5 ° C (194,65 K, −109,30 ° F) при атмосферное давление, а его плавление в жидкий CO2 может происходить только вдоль линии при давлениях и температурах выше тройной точки (т.е. 5,2 атм, −56,4 ° C).

Вода

Снег и лед возвышенное, хотя и более медленное, при температурах ниже точки замерзания /температура плавления линия температуры при 0 ° C для парциальных давлений ниже давления тройной точки 612 Па (0,0006 атм).[5] В сублимационной сушки материал, подлежащий дегидратации, замораживают, а его воде дают возгоняться при пониженном давлении или вакууме. Выпадение снега из снежное поле во время холода часто бывает вызвано солнечным светом, воздействующим непосредственно на верхние слои снега. Абляция это процесс, включающий сублимацию и эрозионный износ ледниковый лед.

Нафталин

Нафталин, органическое соединение, обычно содержащееся в пестицидах, таких как нафталиновые шарики, легко возгоняется, потому что он состоит из неполярных молекул, которые удерживаются вместе только ван дер Ваальс межмолекулярные силы. Нафталин - твердое вещество, которое возгоняется при стандартная температура воздуха[6] с точкой сублимации около 80 ° C или 176 ° F.[7] При низкой температуре давление его пара достаточно высокое, 1 мм рт. ст. при 53 ° C,[8] чтобы твердая форма нафталина испарилась в газ. На прохладных поверхностях пары нафталина затвердевают с образованием игольчатых кристаллов.

Экспериментальная установка для реакции сублимации нафталин Твердый нафталин сублимируется и образует кристаллическую структуру в нижней части стекло для часов
Твердое соединение нафталин сублимированный, чтобы сформировать подобную кристаллу структуру на прохладной поверхности.

Прочие вещества

Камфора сублимировать в холодный палец. Неочищенный продукт на дне темно-коричневый; белый очищенный продукт на нижней части холодного пальца вверху плохо различим на светлом фоне.

Йод при слабом нагревании образуется дым, хотя это значение выше тройной точки. Можно получить жидкий йод при атмосферном давлении, контролируя температуру чуть выше точки плавления йода. В Криминалистика, пары йода могут выявить скрытые отпечатки пальцев на бумаге.[9]Мышьяк может также возгоняться при высоких температурах.

Кадмий и цинк не подходят материалы для использования в вакууме потому что они возвышеннее других обычных материалов.[нужна цитата ]

Очищение сублимацией

Кристаллы ферроцен после очистки вакуумной сублимацией

Сублимация - это метод, используемый химики очищать соединения. Твердое тело обычно помещают в сублимационный аппарат и нагревается под вакуум. При этом сокращенный давление, твердый улетучивается и конденсируется в виде очищенного соединения на охлажденной поверхности (холодный палец ), оставляя нелетучий остаток примеси за. После прекращения нагрева и снятия вакуума очищенное соединение может быть собрано с охлаждающей поверхности.[10][11]Для еще более высокой эффективности очистки температурный градиент применяется, 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 размещается 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 отдельным холодная ловушка ), умеренно летучие соединения, повторно конденсирующиеся вдоль трубы в соответствии с их различной летучестью, и нелетучие соединения, остающиеся в горячем конце. Вакуумная сублимация этого типа также является предпочтительным методом очистки органических соединений для использования в органическая электроника, где требуется очень высокая чистота (часто> 99,99%), чтобы соответствовать стандартам для бытовой электроники и других приложений.

Историческое использование

В древности алхимия, а протонаука что способствовало развитию современной химии и медицины, алхимики разработали структуру основных лабораторных методов, теории, терминологии и экспериментальных методов. Сублимация использовался для обозначения процесса, при котором вещество нагревается до пара, а затем немедленно собирается в виде осадка на верхней части и горловине теплоносителя (обычно возразить или перегонный куб ), но также может использоваться для описания других подобных нелабораторных переходов. Это было упомянуто авторами-алхимиками, такими как Василий Валентин и Джордж Рипли, а в Розариум философский, как процесс, необходимый для завершения magnum opus. Здесь слово сублимация был использован для описания обмена «телами» и «духами», подобного лабораторному фазовому переходу между твердыми телами и газами. Валентин в своем Le char triomphal de l'antimoine (Триумфальная колесница сурьмы, опубликовано в 1646 г.) сравнил спагирические в котором 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 телесность духа.[13] Он написал:[14]

И сублимации мы делаем по трем причинам,
Первая причина - сделать тело духовным.
Во-вторых, дух может быть телесным,
И зафиксируйтесь с этим и станьте единосущными.
Третья причина - грязный оригинал.
Он может быть очищен, а его соленость может быть серной.
Может быть уменьшено в нем, что заразно.

Предсказания сублимации

В энтальпия сублимации обычно предсказывается с помощью теорема о равнораспределении. Если энергия решетки предполагается, что это примерно половина энергии упаковки,[требуется разъяснение ] тогда следующие термодинамические поправки могут быть применены для предсказания энтальпии сублимации. Предполагая, что 1 коренной зуб идеальный газ дает поправку на термодинамическую среду (давление и объем), в которой pV = RT, следовательно, поправка на 1RT. Дополнительные исправления для вибрации, вращения и затем необходимо применить перевод. От теорема о равнораспределении газовое 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 энтропия срок, если предполагается твердое тело.[16][17]

Сублимационная печать на красителях

Основная статья: Сублимационный принтер

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 новых предметов, 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 изменяться 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

Фазовые переходы материи ()
базовыйК
ТвердыйЖидкостьГазПлазма
ИзТвердыйПлавлениеСублимация
ЖидкостьЗамораживаниеИспарение
ГазОтложениеКонденсацияИонизация
ПлазмаРекомбинация

Рекомендации

  1. ^ «Сублимировать». Словарь Merriam-Webster.
  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 .; Кольер, С. Патрик (2016). «Контроль образования конденсата и инея с помощью химических микрорельефов». Научные отчеты. 6: 19131. Bibcode:2016НатСР ... 619131Б. Дои:10.1038 / srep19131. ЧВК  4726256. PMID  26796663.
  4. ^ "Возвышенное". Dictionary.com Несокращенный. Случайный дом.
  5. ^ Фасснахт, С. Р. (2004). «Оценка недозаготовки снегопадов, сублимации снежного покрова и метелей на шести участках в соседних США». Hydrol. Процесс. 18 (18): 3481–3492. Bibcode:2004HyPr ... 18.3481F. Дои:10.1002 / hyp.5806.
  6. ^ Кэролл, Дж. (2014). Гидраты природного газа. п. 16. ISBN  9780128005750.
  7. ^ Штатный автор (ы) (2015). "какие твердые тела проходят сублимацию?". Национальный научный фонд и партнерство школы и университета UCSB. Получено 13 ноября 2015.
  8. ^ Павия, Д. (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. ^ Р. Б. Кинг Металлоорганические синтезы. 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. стр.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. ^ ДиБернард, Барбара (1980). Алхимия и поминки по Финнегану. SUNY Нажмите. п.57. ISBN  978-0873953887.
  14. ^ Рипли, Джордж (1591). Соединение алхимии.
  15. ^ Гавеццотти, А. (1997). Теоретические аспекты и компьютерное моделирование молекулярного твердого тела.. Чичестер: Wiley and Sons.
  16. ^ McDonagh, J. L .; Натх; Де Феррари, Луна; Ван Моурик, Таня; Митчелл, Джон Б. О. (2014). «Объединение хеминформатики и химической теории для предсказания внутренней растворимости в воде кристаллических молекул, подобных лекарствам». Журнал химической информации и моделирования. 54 (3): 844–56. Дои:10.1021 / ci4005805. ЧВК  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. Дои:10.1021 / acs.jcim.6b00033. HDL:10023/11874. ISSN  1549-9596. PMID  27749062.

внешняя ссылка