A szublimáció Ez az anyag halmazállapotának megváltozása, amelyet a szilárd fázisból a gázfázisba való közvetlen átlépés jellemez, anélkül, hogy a folyékony fázison áthaladna. Szigorúan véve bármely anyag szublimálható, de meghatározott nyomás- és hőmérsékleti feltételek mellett. A szublimáció korrelál a szilárd fázis gőznyomásával, valamint a szilárd anyagok által kifejtett intermolekuláris kölcsönhatásokkal.
Ez a folyamat könnyen megfigyelhető egy darab szárazjégben, amely szilárd szén-dioxidból áll. A szén-dioxid nyomás alatt és szobahőmérsékleten szublimál. A szublimációval ellentétes folyamatot újraszublimációnak vagy lerakódásnak nevezhetjük. A szublimáció létrejöttéhez az anyagnak energiát kell elnyelnie, ezért endoterm folyamatnak tekintik.
Olvasd el te is: Mik az anyag fizikai állapotai?
Összefoglaló a szublimációról
A szublimáció a szilárd fázisból a gázfázisba való közvetlen átmenet, anélkül, hogy a folyékony fázison átmenne.
Egy anyag szublimációjának megfigyeléséhez speciális nyomás- és hőmérsékleti feltételek szükségesek.
A szublimációt termodinamikai szempontok befolyásolják, mint például a gőznyomás a szilárd fázisban és az intermolekuláris kölcsönhatások.
A szublimáció endoterm folyamat.
A szublimációra példa a szárazjégben előforduló jelenség, amely szilárd szén-dioxidból áll.
Mi a szublimáció?
szublimáció az a közvetlen átmenet a szilárd fázisból a gázfázisba, anélkül, hogy átmenne a folyékony fázison. Bizonyos szilárd anyagok esetében meghatározott hőmérsékleti és nyomási feltételek mellett fordul elő. Ez az átmenet az állapotváltozás fizikai folyamata, amely nem jár kémiai reakciókkal.
A fordított folyamatot, vagyis a gázfázisból a szilárd fázisba való közvetlen átmenetet különbözőképpen nevezik. Egyes szerzők a szublimáció szót tartják erre a fázisváltásra, míg mások az „újraszublimációt”, sőt a „lerakódást” is használják.
Hogyan működik a szublimáció
Párhuzam vonható a szublimáció és a párolgás között. Mindkét esetben a végpont az gázfázis. A különbség nyilvánvalóan a kiindulási fázisban van: szilárd a szublimációhoz és folyadék a párolgáshoz.
Mindkét esetben, nyomás hatása van deporáció és termodinamikai szempontok is, amelyek magukban foglalják a hőt és az intermolekuláris kölcsönhatásokat.
Mi a gőznyomás?
Folyadékot tartalmazó zárt tartályban észlelhető, hogy egyensúly van a folyadékfázis és a gőzfázis között. Ez azért van így, mert a jelenlévő energia még a forráspont alatt is elegendő ahhoz, hogy a folyadék egyes molekulái leváljanak és a gőzbe kerüljenek. Egyes gőzmolekulák azonban ismét kondenzálhatnak, és visszatérhetnek a folyékony fázisba, ami a folyamat visszafordíthatóságát mutatja.
Ez a gőz, amiből készült anyag (van tömege és térfogata), feladatok nyomást gyakorol a folyadék felületére, az úgynevezett gőznyomás. Ez nem a folyadék mennyiségétől, hanem a hőmérséklettől függ, mert minél magasabb a hőmérséklet, annál könnyebben válnak le a molekulák a folyadékfázisról.
Illékonynak nevezzük azokat a folyadékokat, amelyeknek közönséges hőmérsékleten magas a gőznyomása. Például 25 °C-on az etil-éter gőznyomása 0,58 atm, az aceton (propanon) gőznyomása 0,29 atm, míg a víz gőznyomása 0,023 atm. Egyébként, ha a gőznyomás megegyezik a légköri nyomással, a folyadék felforr. Ha többet szeretne megtudni a gőznyomásról, kattintson a gombra itt.
Gőznyomás és szublimáció
Bár kisebb mértékben, a szilárd anyagoknak gőznyomásuk is van, de sokkal alacsonyabb, mint a folyadékoké. Például a vas gőznyomása még 1000 K hőmérsékleten is csak 9,21 x 10-20 atm. Néhány szilárd anyag azonban képes szublimálódni, például a jód, ami normál hőmérsékleten magasabb gőznyomást eredményez (4 x 10-4 atm).
Ez csak akkor lehetséges, ha a molekulák szilárd halmazállapotból közvetlenül gázhalmazállapotba kerülnek. Hogy ez megtörténjen, a a szilárd anyag molekuláinak jelen kell lenniük intermolekuláris kölcsönhatások gyenge (a jódban pl. indukált dipól-indukált dipólus típusúak).
Az is látható, hogy a szublimációs folyamat endoterm, azaz szükség van arra, hogy a szilárd anyag molekulái hő formájában nyeljék el az energiát, hogy megszakítsák a molekulák közötti kölcsönhatásokat és átmenjenek gőzállapotba. Az érintett hőmennyiség a szublimációs entalpiának nevezett termodinamikai mennyiséggel mérhető.
Fázisok diagramja
Nak nek tudni, hogy milyen nyomás- és hőmérséklet-tartományban megy végbe a szilárd anyag szublimációja, értékelnie kell a fázisdiagramját. Nézzük a szén-dioxid, CO esetét2.
A fázisdiagramban az állapotok (szilárd, folyékony és gáz) közötti határvonalak összehozzák a nyomás és a hőmérséklet értékeket állapotváltozás következik be. A CO2 esetét megfigyelve észrevehető, hogy 1 atmoszféra nyomáson a szilárd fázis közvetlenül a gőzfázisba megy át -78,5 °C hőmérsékleten, ami a szublimációt jellemzi.
A szén-dioxidnak csak 5,11 atmoszféra feletti nyomáson van folyékony fázisa, és ezen túlmenően a szublimáció már nem lehetséges. Ha többet szeretne megtudni a fázisdiagramról, kattintson a gombra itt.
példák a szublimációra
Szárazjég: a partikon és rendezvényeken gyakran ködhatások készítésére használt szárazjég valójában szilárd halmazállapotú szén-dioxid.
molygombóc: a molygolyó naftalinból, egy aromás szerves vegyületből készül. Alkalmazza a rossz szagok eltávolítására, valamint a lepkék, csótányok és más mérgező állatok elriasztására, ezért gyakori, hogy szekrényekben vagy akár piszoárban használják őket.
Kámfor: A jellegzetes szagú kámforkavicsok is szublimálódhatnak. Ezenkívül a szúnyogok elriasztására és a penészedés megelőzésére szolgálnak.
Jód: a halogénekhez tartozó nemfém is szublimáción megy keresztül.
A bemutatott anyagok közül azonban környezeti körülmények között csak a szén-dioxid szublimálódik. A többiek, még szublimációval is, normális fúzión mennek keresztül a nyomás alatt, amelyben élünk.
Olvasd el te is: Plazma – az anyag negyedik halmazállapota
Megoldott gyakorlatok a szublimációról
1. kérdés
(Fuvest 2020) A szupermarketekben gyakran találni úgynevezett fagyasztva szárított élelmiszereket, például gyümölcsöket, zöldségeket és húsokat. A fagyasztva szárított élelmiszerek hosszú idő után is fogyasztásra alkalmasak, hűtés nélkül is. A „liofilizált” kifejezés ezekben az élelmiszerekben a fagyasztási folyamatot és az azt követő vízszublimációval történő dehidratálást jelenti. A víz szublimációjához a feltételek kombinációja szükséges, amint az a nyomás-hőmérséklet grafikonon látható, ahol a vonalak fázisátalakulásokat jelölnek.
Annak ellenére, hogy iparilag bizonyos technológia használatát igénylő folyamatról van szó, bizonyíték van arra, hogy az emberek Az Andok legmagasabb vidékein élt prekolumbiánusok képesek voltak fagyasztva szárítani az élelmiszereket, ami lehetővé tette annak tárolását több időt. Nézze meg az alternatívát, amely elmagyarázza a természetes fagyasztva szárítási folyamatot:
a) A víz szublimációja az alacsony hőmérséklet és a magas légköri nyomás miatt következett be a hegyekben.
b) A hideg időszakokban természetes fagyás után az élelmiszereket a hegység legalsó részére vitték, ahol alacsonyabb volt a légnyomás, ami lehetővé tette a szublimációt.
c) Az ételt napsugárzásnak tették ki a hőmérséklet növelése érdekében, és az alacsony helyi légköri nyomás kedvezett a megszilárdulásnak.
d) A hideg időszakokban a hőmérséklet elég alacsony volt ahhoz, hogy lefagyjon az élelmiszer, és a magas hegyekben az alacsony légköri nyomás lehetővé tette a szublimációt.
e) Az élelmiszereket a természetes fagyasztás után préselték, hogy növeljék a nyomást, hogy megtörténhessen a szublimáció.
Válasz: D betű.
A liofilizálás során a víz megfagyása következik be, majd ezt követően szublimálódik. A Kolumbusz előtti népek végrehajthattak egy ilyen folyamatot, mivel télen a víz megfagyhat (1. nyíl) és az Andok legmagasabb régióinak alacsony nyomásaival (2-es nyíl) szublimáción mehet keresztül (nyíl 3).
2. kérdés
(Uerj 2005) A hűtési folyamatokban széles körben használt szárazjég vagy megszilárdult szén-dioxid környezeti körülmények között szublimáción megy keresztül. Ezen átalakulás során fellép többek között az energiaingadozás és a kölcsönhatások megszakadása.
Ezeket a jelenségeket a következőképpen osztályozzák:
a) exoterm - interionos
b) exoterm - internukleáris
c) izoterm - interatomi
d) endoterm - intermolekuláris
Válasz: D betű.
A szublimáció endoterm folyamat, mivel a szilárd fázisú molekulákat tömören tartó kölcsönhatások megszakításához hőfelvételre van szükség. Ezek a kölcsönhatások intermolekuláris típusúak.
Írta: Stefano Araujo Novais
Kémia tanár