Сублимация (физика)

Сублима́ция (от лат. sublimo «возносить»), возго́нка — переход вещества из твёрдого состояния сразу в парообразное, минуя стадию плавления (перехода в жидкое состояние) и кипения. Поскольку при возгонке изменяется удельный объём вещества и поглощается энергия (теплота сублимации), возгонка является фазовым переходом первого рода[1][2].

Внешние изображения
Сублимация гранулированного сухого льда
Очистка иода возгонкой
Фазовые переходы первого рода на фазовой диаграмме
Сублимационная кривая водяного льда — равновесный участок «твёрдое тело — газ» на фазовой диаграмме воды
Фазовая диаграмма иода: тройная точка 386,65 К (113,5 °С), 12,1 кПа (0,12 атм); критическая точка 819 К (546 °С), 11,7 МПа (115 атм)
Ниже температуры тройной точки на диаграмме фазового равновесия имеется только линия сублимации. Поэтому при относительно медленном (квазистатическом) нагреве в открытой системе, когда подавляющая часть подводимой от нагревателя энергии расходуется на фазовый переход (возгонку), а не на повышение температуры твёрдой фазы, иод не плавясь возгоняется и превращается сразу в пары. Наоборот, при охлаждении иод десублимируется и образует кристаллы минуя жидкое состояние. Для превращения в жидкость твёрдый иод нагревают в закрытом сосуде. При очень быстром (нестатическом) нагреве иод плавится даже в открытом сосуде.

Обратным процессом является десублимация — конденсация вещества из парообразного состояния, минуя жидкое, непосредственно в твёрдое состояние[2]. Как и сублимация, десублимация представляет собой фазовый переход первого рода. Десублимация может осуществляться на холодной поверхности или при смешении паров вещества с более холодным газом, при расширении некоторых сжатых газов (образование твёрдого диоксида углерода при работе углекислотных огнетушителей). Примерами десублимации служат такие атмосферные явления, как десублимация атмосферной влаги с образованием инея на поверхности земли и изморози на ветвях деревьев и проводах, морозных узоров на оконных стёклах[1]. Образование и изменение ядер комет также имеет сублимационно-десублимационную природу[2].

Оба процесса — и сублимация, и десублимация — протекают при температуpaх и давлениях ниже тех, что соответствуют тройной точке рассматриваемого вещества[1].

Примеры возгонкиПравить

Сублимация иодаПравить

Возгонка характерна, например, для элементарного иода I2, который при нормальных условиях не имеет жидкой фазы: чёрные с голубым отливом кристаллы сразу превращаются (сублимируются) в газообразный молекулярный иод (медицинский «иод» представляет собой спиртовой раствор).

Сублимация углекислого газа (сухого льда)

Сухой лёд (твёрдый углекислый газ) является наиболее типичным примером вещества, подвергающегося при нормальном атмосферном давлении возгонке. Температура сублимации углекислого газа составляет 194,65 K (или - 78,5°C), в жидком состоянии диоксид углерода может существовать только при повышенном давлении. Так, при 20°C диоксид углерода переходит в жидкость при давлении более 6 МПа (61.183 кгс/см²).

Сублимация льдаПравить

Хорошо поддаётся возгонке лёд, что определило широкое применение данного процесса как одного из способов сушки[⇨].

Применение процессаПравить

 
Простой сублимационный аппарат. Очищаемое вещество конденсируется из газовой фазы на «пальце»-холодильнике, охлаждаемом водой.
1 Вход холодной воды
2 Выход холодной воды
3 Вакуум/газ линия
4 Сублимационная камера
5 Сублимируемый продукт
6 Сырой материал
7 Внешний нагрев

В промышленности сублимацию и десублимацию используют для выделения веществ из газовых потоков (например, фталевого ангидрида, гексафторида урана), очистки веществ, сублимационной сушки (например, пищевых продуктов), тепловой защиты летательных аппаратов при сверхзвуковых скоростях полёта, нанесения защитных и функциональных покрытий при изготовлении приборов и др.[1]

Применение сублимации в лабораторной техникеПравить

На эффекте возгонки основан один из способов очистки твёрдых веществ. При определённой температуре одно из веществ в смеси возгоняется с более высокой скоростью, чем другое. Пары очищаемого вещества конденсируют на охлаждаемой поверхности. Прибор, применяемый для этого способа очистки, называется сублиматор.

Сублимационная сушкаПравить

Сублимационная сушка (иначе лиофилизация; лиофильная сушка) (англ. freeze drying или lyophilization) — процесс удаления растворителя из замороженных растворов, гелей, суспензий и биологических объектов, основанный на сублимации затвердевшего растворителя (льда) без образования макроколичеств жидкой фазы.

При промышленной возгонке сначала производят заморозку исходного тела, а затем помещают его в вакуумную или заполненную инертными газами камеру. Физически процесс возгонки продолжается до тех пор, пока концентрация водяных паров в камере не достигнет нормального для данной температуры уровня, в связи с чем избыточные водяные пары постоянно откачивают. Возгонка применяется в химической промышленности, в частности, на производствах взрывоопасных или взрывчатых веществ, получаемых осаждением из водных растворов.

Возгонка также используется в пищевой промышленности: так, например, сублимированный кофе получают из замороженного кофейного экстракта через обезвоживание вакуумом. Фрукты после сублимирования весят в несколько раз меньше, а в воде восстанавливаются. Сублимированные продукты значительно превосходят сушёные по пищевой ценности, так как возгонке поддаётся только вода, а при термическом испарении теряются многие полезные вещества.

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

ЛитератураПравить

СсылкиПравить