Кіріспе

Қаттыдан газға көшу

Сублимация – заттың сұйық күйден өтпей, тікелей қатты күйден газ күйіне өтуі. Сублимация ету етістігінің түрі – сублимациялану, немесе сирек қолданылатыны – сублиматтану. Сублимат – сонымен қатар сублимация арқылы алынған өнімді білдіреді. Сублимация жылдам жүзеге асатын нүкте (толықрақ мәлімет үшін төмен қараңыз) сындық сублимация нүктесі немесе жай ғана сублимация нүктесі деп аталады. Назар аударуға лайық мысалдар: құрғақ мұздың бөлме температурасында және атмосфералық қысымда сублимациялануы, сондай-ақ қатты йодты қыздырғанда. Сублимацияның кері процесі – депозиция (немесе десублимация), онда зат газ күйден тікелей қатты фазаға өтеді, сұйық күйден өтпей. Барлық қатты денелер сублимацияланады, бірақ көпшілігінің сублимациясы өте төмен жылдамдықпен жүзеге асады, сондықтан оны анықтау қиын. Қалыпты қысымда химиялық қосылыстар мен элементтердің көпшілігі әртүрлі температурада үш түрлі күйде болады. Мұндай жағдайларда, қатты күйден газ күйіне өту үшін аралық сұйық күй қажет. Мұндағы қысым – заттың ішінара қысымы, емес бүкіл жүйенің жалпы (мысалы, атмосфералық) қысымы. Осылайша, кез келген қатты зат, егер оның бу қысымы сол заттың айналасындағы ішінара қысымынан жоғары болса, сублимациялана алады, ал кейбір жағдайларда, айтарлықтай жылдамдықпен сублимацияланады (мысалы, су мұзы 0°C-тан сәл төмен температурада). Көміртек және мырыш сияқты кейбір заттар үшін қатты күйдегі сублимация сұйық күйдегі буланудан әлдеқайда оңай жүзеге асырылады және оларды сұйық түрінде алу қиын. Бұл олардың фазалық диаграммасындағы үштік нүктесінің қысымы (заттың сұйық күйде болуы мүмкін ең төменгі қысымға сәйкес келеді) өте жоғары болғандықтан. Сублимация – кейбір молекулалардың көрші молекулалардың тартымды күшін жеңіп, бу фазасына өтуіне жеткілікті энергия беретін жылуды сіңіру нәтижесінде пайда болады. Бұл процесс қосымша энергияны қажет ететіндіктен, сублимация эндотермиялық өзгеріс болып табылады. Сублимацияның энтальпиясы (немесе сублимацияның жылуы) қорыту энтальпиясы мен буландыру энтальпиясын қосу арқылы есептеледі.

Аң-таңдық

Сублимацияның анықтамасы оңай болғанымен, қандай жағдайды сублимация деп санау керектігі жиі шатастырады.

Буланумен жалған сәйкестік

Булану (сұйықтан газға өту) екі түрге бөлінеді: сұйықтың бетіндегі булану – булану деп, ал қайнау нүктесінде сұйықтың ішінде көпіршіктер пайда болып өтетін булану – қайнау деп аталады. Дегенмен, қатты денеден газға өтуде мұндай ерекшелік жоқ, және екі жағдайда да бұл процесс сублимация деп аталады.

Мүмкіндікті ажырату

Түсіндіру үшін екі сәйкес жағдайды ажырату қажет. Фазалық диаграммаға сілтеме жасай отырып, қатты-газ шекарасының, үштік нүктесінің немесе қатты-сұйық шекарасының сол жағында жүзеге асатын сублимацияны (буланудағы булануға сәйкес) біртіндеп сублимациялау деп атауға болады; және заттың сублимациясы жылдамдығына қарамастан біртіндеп жүзеге асады. Қатты-газ шекарасында (критикалық сублимация нүктесі) (булануда қайнауға сәйкес) жүзеге асатын сублимацияны жылдам сублимациялау деп атауға болады, ал зат жылдам сублимацияланады. «Біртіндеп» және «жылдам» сөздері осы контексте ерекше мағынаға ие болды және енді сублимацияның жылдамдығын сипаттамайды.

Химиялық реакция үшін дұрыс емес пайдалану

Сублимация термині нақты физикалық күй өзгерісін білдіреді және химиялық реакцияда қатты заттың газға өтуін сипаттау үшін қолданылмайды. Мысалы, қатты аммиак хлоридін қыздырғанда сутек хлориді мен аммиакқа ыдырауы сублимация емес, химиялық реакция болып табылады. Сол сияқты, парафиндік балауыздан тұратын шамдарды көмірқышқыл газы мен су буына дейін жағу – сублимация емес, оттегімен химиялық реакция.

Тарихи анықтама

Сублимация тарихи түрде екі сатылы фазалық өтуді сипаттау үшін қолданылған жалпы термин – қатты заттың газға өтуі (нақтырақ анықтамада сублимация), одан кейін газдың қатты затқа өтуі (конденсация). (Төменде қараңыз)

Көмірқышқыл газы

Қатты көмірқышқыл газы (құрғақ мұз) үштік нүктеден төмен температурада қатты-газ шекарасы (сублимация нүктесі) бойымен жылдам сублимацияланады (мысалы, -78,5 °C температурада, атмосфералық қысымда), ал оның сұйық CO2-ге балқуы үштік нүктеден жоғары қысым мен температурада (яғни, 5,1 атм, -56,6 °C) қатты-сұйық шекарада (балқу нүктесі) жүзеге асуы мүмкін.

Су

Қар мен мұз қатты-сұйық шекарасынан төмен температурада (еріту нүктесі) (әдетте 0 °C) және үштік нүкте қысымынан төмен жартылай қысымда, баяу түрде сублимацияланады. Мұздатып кептіру процесінде кептірілмекші материал мұздатылып, оның суы төмендетілген қысымда немесе вакуумда сублимациялануына мүмкіндік беріледі. Суық күндері қардың қарлы алаптан жоғалуы көбінесе күн сәулесінің қардың үстіңгі қабаттарына тікелей түсуінен туындайды. Мұздың сублимациясы мұздық мұзының эрозиялық тозуына ықпал етеді, бұл мұзтануда абляция деп аталады.

Нафталин

Нафталин – пестицидтерде, мысалы, мольға қарсы қолданылатын шараларда кездесетін органикалық қосылыс. Ол тез сублимацияланады, себебі оның құрамында полярлық емес молекулалар бар, олар тек ван дер Ваальс молекулааралық күштерімен байланысқан. Нафталин – стандартты температура және қысымда біртіндеп сублимацияланатын қатты зат, сублимацияның шекті температурасы шамамен 80°C немесе 176°F. Төмен температурада оның бу қысымы жеткілікті жоғары, 53°C-та 1 мм сынқ. бағ. қысымға тең, бұл нафталиннің қатты күйін газға айналдырады. Салқын беттерде нафталин булары қатып, ине тәрізді кристалдар түзеді.

Иод

Иод атмосфералық қысымдағы қалыпты температурада жеңіл қыздырғанда біртіндеп сублимацияланып, көзге көрінетін түтін шығарады. Иодтың еру және қайнау температуралары арасындағы температураны қатаң бақылап, атмосфералық қысымда сұйық иод алуға болады. Криминалистикада иод буы қағаздағы жасырын саусақ іздерін ашуға мүмкіндік береді.

Басқа заттар

Арсен жоғары температурада оңайрақ буланады. Кадмий мен мырыш басқа көптеген таралған материалдарға қарағанда әлдеқайда көп буланады, сондықтан оларды вакуумде пайдалануға болмайды.

Сублимация арқылы тазарту

Сублимация – химиялық қосылыстарды тазартуға қолданылатын әдіс. Қатты зат әдетте сублимациялық аппаратқа салынып, вакуумда қыздырылады. Бұл төмендетілген қысымда қатты зат ұшқышқа айналып, салқындатылған бетке (салқын саусаққа) конденсацияланып, тазартылған қосылыс түзеді, ал ұшпайтын қоспалар қалдырылады. Қыздыру тоқтатылып, вакуум алынғаннан кейін тазартылған қосылысты салқындату бетінен жинап алуға болады. Тазарту тиімділігін одан да арттыру үшін температура градиенті қолданылады, бұл әртүрлі фракцияларды бөлуге мүмкіндік береді. Көбінесе эвакуацияланған шыны түтікше пайдаланылады, ол бақыланатын режимде біртіндеп қыздырылады. Материал ағыны бастапқы материал орналасқан ыстық ұшынан, сорғыға қосылған суық ұшына қарай жүзеге асырылады. Түтікше бойындағы температураны реттеу арқылы оператор қайта конденсация аймақтарын басқара алады: өте ұшқыр қосылыстар жүйеден толығымен сорғыланып шығады (немесе жеке суық тұзақпен ұсталады), орташа ұшқыр қосылыстар олардың ұшқырлығына қарай түтікше бойында қайта конденсацияланады, ал ұшпайтын қосылыстар ыстық ұшта қалады. Осындай вакуумдық сублимация органикалық электроника өнеркәсібінде қолданылатын органикалық қосылыстарды тазалаудың басты әдісі болып табылады, онда тұтынушы электроникасы және басқа да қолданулар үшін қатаң стандарттарды орындау үшін өте жоғары тазалық (көбінесе 99,99% жоғары) қажет.

Сублимация болжамы

Сублимацияның энтальпиясы көбінесе эквипартиция теоремасы арқылы есептеледі. Егер тор энергиясы қаптама энергиясының шамамен жартысына тең деп есептесек, сублимацияның энтальпиясын болжау үшін келесі термодинамикалық түзетулерді қолдануға болады. 1 мольдік идеал газды қарастырғанда, термодинамикалық ортаға (қысым мен көлемге) түзету енгізіледі, онда pV = RT, демек 1RT түзету. Содан кейін, тербелістерге, айналуларға және ауысуларға қосымша түзетулер енгізу қажет. Эквипартиция теоремасы бойынша, газ тәрізді айналу мен ауысу соңғы күйге әрқайсысы 1,5RT-ден үлес қосады, демек +3RT түзету. Кристалдық тербелістер мен айналулар бастапқы күйге әрқайсысы 3RT-ден үлес қосады, демек -6RT. RT түзетулерін қоссақ; −6RT + 3RT + RT = −2RT. Бұл шамамен сублимация энтальпиясына алып келеді. Қатты денелер деп есептесек, энтропия мүшесі үшін де ұқсас жуықтау қолданылуы мүмкін.

Бояу-сублимациялық баспа

Түсті сублимациялық баспа – полиэстер және полимер жабынталған материалдармен жұмыс істейтін, толық түсті суреттерді қолданатын цифрлық басу технологиясы. Цифрлық сублимация деп те аталатын бұл процесс көбінесе киім-кешек, таңбалар мен баннерлерді, сондай-ақ ұялы телефон қаптары, плакаттар, кофе кеселері және сублимацияға жарамды беттері бар басқа да заттарды безендіру үшін қолданылады. Процесс сублимация ғылымын пайдаланады, онда қатты денге жылу мен қысым қолданылады, ол сұйық фазадан өтпей, эндотермиялық реакция арқылы газға айналады. Сублимациялық басуда арнайы сублимациялық бояулар пьезоэлектрлік баспа басы арқылы сұйық гель сиясымен «көшіру» қағазына беріледі. Сия осы қағазға жабыстырылады, ол сублимациялық басу процесінің келесі қадамы үшін қолданылады. Цифрлық сурет сублимациялық көшіру қағазына басылғаннан кейін, сублимацияланатын материалмен бірге жылу пресіне салынады. Суретті қағаздан материалға көшіру үшін уақыт, температура және қысымды біріктіретін жылу пресі процесі қажет. Жылу пресі материалға байланысты өзгере алатын осы арнайы комбинацияны қолданады, бұл сублимациялық бояуларды молекулалық деңгейде материалға «сіңіруге» мүмкіндік береді. Сублимация үшін қолданылатын ең көп таралған бояулар 350 градус Фаренгейтте белсенділенеді. Дегенмен, ең жақсы түс үшін әдетте 380-ден 420 градус Фаренгейтке дейін ұсынылады. Сублимация процесінің нәтижесі – жоғары сапалы, толық түсті және берік басылым. Бояулар материалға беттік деңгейде емес, молекулалық деңгейде сіңірілгендіктен (мысалы, тікелей матаға басу және таралған басу сияқты), қалыпты жағдайда басылымдар жарылмайды, түсі солмайды және материалдан қабықтанбайды.