SUBLIMATIE: CONCEPT, PROCES EN VOORBEELDEN - CHEMIE - 2026

De sublimatie is een thermodynamisch proces waarbij een endotherme verandering direct optreedt van een vaste stof naar een gas, zonder voorafgaande vorming van de vloeistof. Een prominent voorbeeld van dit proces is dat van droogijs; Bij blootstelling aan de zon of ondergedompeld in een vloeistof, gaat het direct van een vaste naar een gasvormige toestand.

Het gedrag van de vaste stof onder normale omstandigheden is om op te warmen en een eerste druppel te vormen, waarbij meer vaste deeltjes oplossen totdat ze volledig smelten. Ondertussen spreken we bij sublimatie van een "bel", van een progressieve damp die het oppervlak dat het raakt niet bevochtigt, maar onmiddellijk wordt afgezet of gekristalliseerd.

Voorbeeld van sublimatie van een hypothetische oranje vaste stof. Bron: Gabriel Bolívar.

Wat in de bovenstaande paragraaf wordt beschreven, wordt weergegeven in de bovenstaande afbeelding. Veronderstel een oranje vast mengsel (links), dat zijn energie begint te verhogen door de temperatuur te verhogen. De rode component sublimeert om zich later op de bodem van de opvangcontainer te nestelen, waarvan de temperatuur lager is vanwege ijsblokjes in de inhoud.

De rode driehoeken of kristallen worden afgezet dankzij het koude oppervlak van deze container (rechts), die hun temperatuur absorbeert; En zelfs als het niet wordt weergegeven, zou de grootte van uw ijsblokjes moeten afnemen vanwege warmteabsorptie. De resterende vaste stof heeft een gele component die onder de procesomstandigheden niet kan worden gesublimeerd.

Sublimatie concept

Werkwijze

Er is al gezegd dat sublimatie een endotherme toestandsverandering is, omdat er warmteabsorptie moet zijn om deze te laten plaatsvinden. Als de vaste stof warmte opneemt, zal zijn energie toenemen, dus zijn deeltjes zullen ook op hogere frequenties trillen.

Wanneer deze trillingen erg sterk worden, beïnvloeden ze uiteindelijk intermoleculaire interacties (geen covalente bindingen); en bijgevolg zullen de deeltjes vroeg of laat verder van elkaar af bewegen, totdat ze erin slagen te stromen en vrijer door de gebieden van de ruimte te bewegen.

In sommige vaste stoffen zijn de trillingen zo sterk dat sommige deeltjes uit de structuur "schieten" in plaats van te agglomereren in bewegende clusters die een druppel definiëren. Deze deeltjes ontsnappen en integreren de eerste "bel", die liever de eerste dampen van de gesublimeerde vaste stof zou vormen.

We spreken dan niet van een smeltpunt, maar van een sublimatiepunt. Hoewel beide afhankelijk zijn van de druk die heerst op de vaste stof, is het sublimatiepunt dat meer; daarom varieert de temperatuur opmerkelijk met veranderingen in druk (net als het kookpunt).

Van vaste structuur tot gasvormige wanorde

Bij sublimatie wordt ook gezegd dat er een toename is in de entropie van het systeem. De energetische toestanden van de deeltjes gaan van beperkt worden door hun vaste posities in de vaste structuur naar homogeniseren in hun grillige en chaotische richtingen in de gasvormige, meer uniforme toestand, waar ze uiteindelijk een gemiddelde kinetische energie krijgen.

Fasediagram en tripelpunt

Het sublimatiepunt is afhankelijk van de druk; Omdat anders de vaste deeltjes warmte zouden opnemen om niet de ruimte buiten de vaste stof in te schieten, maar om druppeltjes te vormen. Het zou niet sublimeren, maar zou smelten of smelten, zoals het meest gebruikelijk is.

Hoe groter de externe druk, des te minder waarschijnlijk is sublimatie, aangezien de vaste stof wordt gedwongen te smelten.

Maar welke vaste stoffen zijn sublimeerbaar en welke niet? Het antwoord ligt in uw P vs T-fasediagrammen, zoals hieronder weergegeven:

Fasendiagram voor een hypothetische stof. Bron: Gabriel Bolívar.

We moeten eerst naar het tripelpunt kijken en door het onderste gedeelte gaan: het deel dat de vaste en gasvormige toestand scheidt. Merk op dat er in het gebied van de vaste stof een drukval moet zijn om sublimatie te laten optreden (niet noodzakelijk bij 1 atm, onze atmosferische druk). Bij 1 atm zal de hypothetische substantie sublimeren tot een temperatuur Ts uitgedrukt in K.

Hoe langer en horizontaal de sectie of curve onder het tripelpunt, hoe groter het vermogen van de vaste stof om te sublimeren bij verschillende temperaturen; maar als het ver onder 1 atm is, dan is een hoog vacuüm nodig om sublimatie te bereiken, zodat de druk wordt verlaagd (bijvoorbeeld 0,0001 atm).

Voorwaarden

Als het tripelpunt duizenden keren lager is dan de atmosferische druk, zal de vaste stof nooit sublimeren, zelfs niet met ultravacuüm (om nog maar te zwijgen van de gevoeligheid voor ontleding door de inwerking van warmte).

Als dit niet het geval is, worden de sublimaties uitgevoerd door matig te verwarmen en de vaste stof aan een vacuüm te onderwerpen, zodat de deeltjes gemakkelijker ontsnappen, zonder dat ze zoveel warmte hoeven op te nemen.

Vooral bij vaste stoffen met een hoge dampspanning wordt sublimatie erg belangrijk; dat wil zeggen, de druk binnenin, een weerspiegeling van de efficiëntie van hun interacties. Hoe hoger de dampspanning, hoe geuriger het is en hoe sublimeerbaarder het is.

Voorbeelden

Zuivering van vaste stoffen

Het beeld van de oranje vaste stof en zijn sublimeerbare roodachtige component is een voorbeeld van wat sublimatie vertegenwoordigt met betrekking tot de zuivering van vaste stoffen. Rode driehoeken kunnen indien nodig opnieuw worden gesublimeerd totdat een hoge zuiverheid is gegarandeerd.

Deze techniek wordt meestal gebruikt met geurige vaste stoffen. Bijvoorbeeld: kamfer, cafeïne, benzoë en menthol.

Onder andere vaste stoffen die sublimatie kunnen zijn, hebben we: jodium, ijs (op grote hoogte), theobromine (uit chocolade), sacharine, morfine en andere medicijnen, stikstofhoudende basen en antraceen.

Kristalsynthese

Terugkerend naar de rode driehoeken, biedt sublimatie een alternatief voor conventionele kristallisatie; Kristallen zullen niet langer uit een oplossing worden gesynthetiseerd, maar door middel van een zo gecontroleerd mogelijke afzetting van dampen op een koud oppervlak, waar er gemakkelijk kristallijne zaden kunnen zijn om een ​​specifieke morfologie te bevorderen.

Stel dat als je rode vierkanten hebt, de kristalgroei deze geometrie behoudt en dat ze niet driehoekig moeten worden. De rode vierkanten zullen geleidelijk groeien naarmate de sublimatie plaatsvindt. Het is echter een operationeel en moleculair complex complex, waarbij veel variabelen betrokken zijn.

Voorbeelden van via sublimatie gesynthetiseerde kristallen zijn: siliciumcarbide (SiC), grafiet, arseen, seleen, fosfor, aluminiumnitride (AlN), cadmiumsulfide (CdS), zinkselenide (ZnSe), kwikjodide (HgI ₂ ), grafeen, onder anderen.

Merk op dat dit in feite twee met elkaar verweven verschijnselen zijn: progressieve sublimatie en afzetting (of inverse sublimatie); de damp migreert van de vaste naar koelere gebieden of oppervlakken, en bezinkt uiteindelijk in de vorm van kristallen.

Thema's van belang

Voorbeelden van sublimatie.

Referenties

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemie (8e ed.). CENGAGE Leren.
2. Wikipedia. (2019). Sublimatie (faseovergang). Hersteld van: en.wikipedia.org
3. Jones, Andrew Zimmerman. (27 januari 2019). Sublimatie. Hersteld van: thoughtco.com
4. Sheila Morrissey. (2019). Wat is sublimatie in de chemie? - Definitie, proces en voorbeelden. Studie. Hersteld van: study.com
5. Elsevier BV (2019). Sublimatiemethode. ScienceDirect. Hersteld van: sciencedirect.com