Википедија

Sublimacija (fizika)

Ukoliko ste tražili pojam iz psihoanalize, pogledajte članak Sublimacija (psihijatrija).

Sublimacija je direktni prelazak supstance iz čvrstog u gasovito agregatno stanje bez tečnog međustanja.[1] Sublimacija je (u fizici) jedan od faznih prelaza. Sublimacija je endotermni proces koji se odvija na temperaturama i pritiscima ispod trojne tačke supstance u njenom faznom dijagramu, što odgovara najnižem pritisku pri kome supstanca može postojati kao tečnost. Obrnuti proces od sublimacije je desublimacija, pri čemu supstanca prelazi direktno iz gasa u čvrstu fazu.[2] Sublimacija se takođe koristi kao generički izraz za opis prelaska iz čvrstog stanja na gas (sublimacija), nakon čega sledi prelaz gas-čvrsto stanje (desublimacija).[3] Dok se prelazak iz tečnosti u gas opisuje kao isparavanje ako se odvija ispod tačke ključanja tečnosti, i kao ključanje ako se odvija na tački ključanja, ne postoji takva razlika u prelazu iz čvrstog stanja do gasovito, već se ono uvek naziva sublimacijom.

Tamnozeleni kristali niklocena, sublimirani i sveže deponovani na hladnom prstu

Pri normalnim pritiscima, većina hemijskih jedinjenja i elemenata imaju tri različita stanja na različitim temperaturama. U tim slučajevima, za prelazak iz čvrstog u gasovito stanje potrebno je srednje tečno stanje. Navedeni pritisak je parcijalni pritisak supstance, a ne ukupni (npr. atmosferski) pritisak celog sistema. Stoga, sve čvrste materije koje imaju značajan napon pare na određenoj temperaturi obično mogu da sublimiraju u vazduhu (npr. vodeni led malo ispod 0 °C). Za neke supstance, kao što su ugljenik i arsen, sublimacija je mnogo lakša od isparavanja iz otopine, jer je pritisak njihove trojne tačke veoma visok, pa ih je teško dobiti kao tečnost.

Izraz sublimacija odnosi se na fizičku promenu stanja i ne koristi se za opisivanje pretvaranja čvrste supstance u gas u hemijskoj reakciji. Na primer, disocijacija pri zagrevanju čvrstog amonijum hlorida u hlorovodonik i amonijak nije sublimacija, već hemijska reakcija. Slično tome sagorevanje sveća, koje sadrže parafinski vosak, do ugljen dioksida i vodene pare, nije sublimacija, već hemijska reakcija sa kiseonikom.

Sublimacija nastaje apsorpcijom toplote koja pruža dovoljno energije nekim molekulama da prevaziđu privlačne sile svojih suseda i pobegnu u fazu pare. S obzirom da proces zahteva dodatnu energiju, to je endotermna promena. Entalpija sublimacije (koja se takođe naziva toplota sublimacije) može se izračunati sabiranjem entalpije topljenja i entalpije isparavanja.

Poređenje faznih dijagrama ugljen dioksida (crveno) i vode (plavo) prikazuje tačku sublimacije ugljen dioksida (sredina levo) na 1 atmosferi. Kako se suvi led zagreva, on prelazi ovu tačku duž zadebljane horizontalne linije iz čvrste faze direktno u gasovitu fazu. Voda, s druge strane, prolazi kroz tečnu fazu na 1 atmosferi.

Uslovi uredi

Od četiri agregatna stanja, pri normalnom pritisku, supstance se, na različitim temperaturama, nalaze u jednom od tri stanja. Pritom, prelazak iz čvrstog u gasovito stanje zahteva tečno međustanje. Kod sublimacije se ono ne javlja. Supstance koje lako sublimuju po pravilu imaju visok napon pare i pri normalnim uslovima.

Značaj uredi

Ova osobina se primenjuje u hemiji za prečišćavanje supstanci, naročito kada je kristalizacijom to znatno otežano.

Metode uredi

 
Aparatura za sublimaciju.
1 dovod hladne vode 2 odvođenje hladne vode 3 vakuum 4 posuda za sublimaciju 5 supstanca koja se kristalizuje 6 supstanca koja sublimiše 7 spoljno zagrevanje

U najprostijem slučaju sublimacija može da se izvede sa dva sahatna stakla iste veličine. Između njih stavi se hartija za ceđenje nešto većeg prečnika i po sredini izbušena. Željena supstanca se stavi na donje staklo i oba stakla se pričvrste štipaljkom. Donje se staklo polako zagreva na peščanom ili vodenom kupatilu pri čemu se para supstance u dodiru sa hladnom površinom sahatnog stakla pretvara u sitne kristale. Veći efekat se postiže kada se gornje staklo hladi vlažnom hartijom ili krpom. Postavljena hartija sprečava da kristali padnu na donje vrelo staklo.

Veće količine supstance se prečišćavaju tako što se umesto sahatnih stakala koriste porcelanske šolje, epruvete, lončići, retorte i drugo posuđe.

Primeri uredi

U laboratoriji se često vrši sublimacija sumpora, joda, amonijum-hlorida i drugih supstanci. Neke supstance sublimuju pri normalnim uslovima. Primeri za to su jod i ugljenik-dioksid (suvi led - CO2 u čvrstom stanju - prelazi u gas bez topljenja). To se dešava i sa običnim ledom, (odnosno zaleđenom vodom).

Ugljen dioksid uredi

 
Suvi led sublimira na vazduhu

Čvrsti ugljen dioksid (suvi led) sublimira na temperaturama ispod trojne tačke (npr., na temperaturi od −78,5 °C (194,65 K, −109,30 °F) na atmosferskom pritisku, dok se njegovo topljenje u tečni CO2 može javiti samo pri pritisku i temperaturama iznad trojne tačke (tj. 5,2 atm, −56,4 °C).

Voda uredi

Sneg i led sublimiraju, mada sporije, na temperaturama ispod temperature zamrzavanja/topljenja od 0 °C na većini pritisaka; pogledajte liniju ispd trojne tačke.[4] Pri sušenju zamrzavanjem, materijal koji se dehidrira se zamrzava, i vodi se dozvoljava da sublimira pod sniženim pritiskom ili vakuumom. Gubitak snega sa snežnog polja tokom hladnog perioda često je uzrokovan sunčevim sjajem koje deluje direktno na gornje slojeve snega. Ablacija je proces koji obuhvata sublimaciju i erozivno trošenje ledenjačkog leda.

Naftalen uredi

Naftalen, organsko jedinjenje koje se često prisutno u pesticidima kao što su kublice protiv moljaca, lako sublimira jer je napravljeno od nepolarnih molekula koji se drže zajedno samo van der Valsovim intermolekularnim silama. Naftalen je čvrsta supstanca koja se sublimira na standardnoj atmosferskoj temperaturi[5] sa tačkom sublimacije na oko 80 °C.[6] Pri niskoj temperaturi njegov napon pare je dovoljno visok, 1 mmHg na 53 °C,[7] da čvrsti oblik naftalena isparava u gas. Na hladnim površinama, isparenja naftalena će se očvrsnuti da bi formirala kristale nalik na igle.

 
Eksperimentalna postavka za reakciju sublimacije naftalena. Čvrsti naftalen sublimira i formiraju se strukture nalik na kristale na dnu satnog stakla.
 
Čvrsti naftalen sublimira, nakon čega se formiraju strukture nalik na kristale na hladnoj površini.

Druge supstance uredi

 
Kamfor sublimira u hladnom prstu. Sirovi proizvod na dnu je tamnosmeđe boje; beli pročišćeni proizvod na dnu hladnog prsta iznad je teško uočiti na svetloj pozadini.

Jod stvara dimove pri laganom zagrevanju. Tečni jod je moguće dobiti pod atmosferskim pritiskom, kontrolisanjem temperature malo iznad tačke topljenja joda. U sudskoj medicini, jodna para može otkriti latentne otiske prstiju na papiru.[8] Arsen takođe može da sublimira pri visokim temperaturama.

Kadmijum i cink nisu podesni materijali za upotrebu u vakuumu jer oni sublimiraju znatno više od drugih često korištenih materijala.

Prečišćavanje sublimacijom uredi

 
Kristali ferocena nakon prečišćavanja vakuumskom sublimacijom

Sublimacija je tehnika koju hemičari koriste za pročišćavanje jedinjenja. Čvrsta supstanca se obično stavlja u aparat za sublimaciju i greje pod vakuumom. Pod ovim smanjenim pritiskom, čvrsta supstanca se isparava i kondenzuje kao prečišćeno jedinjenje na ohlađenoj površini (hladni prst), ostavljajući neisparljivi ostatak od nečistoća iza sebe. Jednom kada grejanje prestane i vakuum se ukloni, prečišćeno jedinjenje se može prikupiti sa hlađene površine.[9][10] Radi još veće efikasnosti prečišćavanja primenjuje se gradijent temperature, koji takođe omogućava odvajanje različitih frakcija. Uobičajena postavka koristi evakuisanu staklenu cev koja se postepeno zagreva na kontrolisan način. Protok materijala je od vrućeg kraja, gde se postavlja početni materijal, do hladnog kraja koji je povezan sa postoljem pumpe. Putem kontrolisanja temperatura duž cevi, operater može da kontroliše zone ponovne kondenzacije, pri čemu se vrlo isparljiva jedinjenja potpuno izbacuju iz sistema (ili ih hvata posebna hladna zamka), umereno isparljiva jedinjenja se ponovo kondenzuju duž cevi shodno njihovim različitim isparljivostima, a neisparljiva jedinjenja ostaju na vrućem kraju. Vakuumska sublimacija ovog tipa takođe je metoda izbora za pročišćavanje organskih jedinjenja za upotrebu u industriji organske elektronike, gde su potrebne veoma visoke čistoće (često > 99,99%) da bi se zadovoljili standardi za potrošačku elektroniku i druge primene.

Istorijska upotreba uredi

U drevnoj alhemiji, protonauci koja je doprinela razvoju savremene hemije i medicine, alhemičari su razvili strukturu osnovnih laboratorijskih tehnika, teorije, terminologije i eksperimentalnih metoda. Sublimacija je korišćena za označavanje procesa u kome se supstanca zagreva do isparenja, zatim se odmah sakuplja kao sediment na gornjem delu i vratu grejnog medijuma (obično retorta ili alembik), ali se takođe može koristiti za opisivanje drugih sličnih nelaboratorijskih prelaza. Spominju je alhemijski autori kao što su Bazil Valentin i Džordž Ripli, a pomenuta je i u Filozofskoj brojanici, kao proces neophodan za dovršavanje magnum opusa. Ovde se reč sublimacija koristi za opis razmene „tela” i „duhova” slično laboratorijskom faznom prelazu između čvrstih materija i gasova. Valentin je u svom radu Triumphal Chariot of Antimony (objavljenom 1678. godine) upoređuje sa radnjom u kojoj se sublimacija povrća može koristiti za razdvajanje alkohola u vinu i pivu.[11] Ripli koristi jezik koji više ukazuje na mistične implikacije sublimacije, što ukazuje na to da proces ima dvostruki aspekt u poduhovljavanju tela i korporalizaciji duha.[12][13]

Predviđanje sublimacije uredi

Entalpija sublimacije se obično predviđa korišćenjem ekviparticione teoreme. Ako se pretpostavi da je energija rešetke približno jednaka polovini energije pakovanja, tada se mogu primeniti sledeće termodinamičke korekcije za predviđanje entalpije sublimacije. Uzimajući da 1 molarni idealni gas pruža korekciju termodinamičkog okruženja (pritiska i zapremine) u kojem je pV = RT, dobija se korekcija 1RT. Zatim je potrebno primeniti dodatne korekcije za vibraciju, rotaciju i translaciju. Iz ekviparticione teoreme sledi da gasna rotacija i translacija doprinose po 1,5 RT finalnom stanju, te se dobija korekcija od +3RT. Kristalne vibracije i rotacije doprinose 3RT svaka inicijalnom stanju, dakle –6RT. Sumiranjem RT korekcija dobija se −6RT + 3RT + RT = −2RT.[14] To dovodi do sledeće približne entalpije sublimacije. Slična aproksimacija se može naći za entropijski član, ako se pretpostave kruta tela.[15][16]  

Vidi još uredi

Reference uredi

  1. ^ „Sublimate”. Merriam-Webster Dictionary. 
  2. ^ Boreyko, Jonathan B.; Hansen, Ryan R.; Murphy, Kevin R.; Nath, Saurabh; Retterer, Scott T.; Collier, C. Patrick (2016). „Controlling condensation and frost growth with chemical micropatterns”. Scientific Reports. 6: 19131. Bibcode:2016NatSR...619131B. PMC 4726256  . PMID 26796663. doi:10.1038/srep19131. 
  3. ^ „Sublime”. Dictionary.com Unabridged. Random House. 
  4. ^ Fassnacht, S. R. (2004). „Estimating Alter-shielded gauge snowfall undercatch, snowpack sublimation, and blowing snow transport at six sites in the coterminous USA”. Hydrol. Process. 18 (18): 3481—3492. Bibcode:2004HyPr...18.3481F. doi:10.1002/hyp.5806. 
  5. ^ Caroll, J. (2014). Natural Gas Hydrates. str. 16. ISBN 9780128005750. 
  6. ^ Staff writer(s) (2015). „what solid go through sublimation?”. National Science Foundation and UCSB School-University partnership. Pristupljeno 13. 11. 2015. 
  7. ^ Pavia, D. (2005). Introduction to organic laboratory technique. str. 781–782. ISBN 978-0534408336. 
  8. ^ Girard, James (2011). Criminalistics: Forensic Science, Crime and Terrorism. Jones & Bartlett Learning. str. 143–144. ISBN 978-0-7637-7731-9. 
  9. ^ R. B. King Organometallic Syntheses. Volume 1 Transition-Metal Compounds; Academic Press: New York, (1965). ISBN 0-444-42607-8.
  10. ^ Harwood, Laurence M.; Moody, Christopher J. (1989). Experimental organic chemistry: Principles and Practice (Illustrated izd.). WileyBlackwell. str. 154–155. ISBN 978-0-632-02017-1. 
  11. ^ Barrett, Francis (1815). The lives of alchemystical philosophers: with a critical catalogue of books in occult chemistry, and a selection of the most celebrated treatises on the theory and practice of the hermetic art. Macdonald and Son for Lackington, Allen, & Co. str. 233. 
  12. ^ DiBernard, Barbara (1980). Alchemy and Finnegans wake. SUNY Press. str. 57. ISBN 978-0873953887. 
  13. ^ Ripley, George (1591). Compound of Alchemy.
  14. ^ Gavezzotti, A. (1997). Theoretical Aspects and Computer Modeling of the Molecular Solid State. Chichester: Wiley and Sons. 
  15. ^ McDonagh, J. L.; Nath; De Ferrari, Luna; Van Mourik, Tanja; Mitchell, John B. O. (2014). „Uniting Cheminformatics and Chemical Theory To Predict the Intrinsic Aqueous Solubility of Crystalline Druglike Molecules”. Journal of Chemical Information and Modeling. 54 (3): 844—56. PMC 3965570  . PMID 24564264. doi:10.1021/ci4005805. 
  16. ^ McDonagh, James; Palmer, David S.; Van Mourik, Tanja; Mitchell, John B. O. (17. 10. 2016). „Are The Sublimation Thermodynamics of organic molecules predictable?” (PDF). Journal of Chemical Information and Modeling. 56 (11): 2162—2179. ISSN 1549-9596. PMID 27749062. doi:10.1021/acs.jcim.6b00033. hdl:10023/11874. 

Literatura uredi

  • Nešić, S. & Vučetić, J. 1988. Neorganska preparativna hemija. Građevinska knjiga: Beograd.
  • Čeloner, Dž. 2001. Vizuelni rečnik fizike. „NNK International“: Beograd.

Spoljašnje veze uredi

 
Sublimacija na Vikimedijinoj ostavi.
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Сублимација_(физика)&oldid=27551426”