Süblimleşme
Süblimleşme, bir maddenin sıvı halden geçmeden doğrudan katı halden gaz haline geçmesidir. Süblimleşme, bir maddenin faz diyagramındaki üçlü noktasının altındaki sıcaklık ve basınçlarda meydana gelen endotermik bir süreçtir; bu, maddenin sıvı olarak var olabileceği en düşük basınca karşılık gelir. Süblimleşmenin ters süreci, bir maddenin doğrudan gazdan katı faza geçtiği biriktirme veya desüblimleşmedir. Süblimasyon aynı zamanda katıdan gaza geçişi (süblimasyon) ve ardından gazdan katıya geçişi (çökelme) tanımlamak için genel bir terim olarak da kullanılmaktadır. Sıvıdan gaza buharlaşma, sıvının kaynama noktasının altında gerçekleşirse yüzeyden buharlaşma olarak, kaynama noktasında gerçekleşirse sıvının iç kısmında kabarcık oluşumuyla kaynama olarak gerçekleşirken, her zaman yüzeyden süblimleşme olarak gerçekleşen katıdan gaza geçiş için böyle bir ayrım yoktur. ⓘ
Normal basınçlarda, çoğu kimyasal bileşik ve element farklı sıcaklıklarda üç farklı duruma sahiptir. Bu durumlarda, katı halden gaz haline geçiş bir ara sıvı hal gerektirir. Bahsedilen basınç, tüm sistemin toplam (örneğin atmosferik) basıncı değil, maddenin kısmi basıncıdır. Dolayısıyla, belirli bir sıcaklıkta kayda değer bir buhar basıncına sahip olan tüm katılar genellikle havada süblimleşebilir (örneğin 0 °C'nin hemen altındaki su buzu). Karbon ve arsenik gibi bazı maddeler için süblimleşme eriyikten buharlaşmadan çok daha kolaydır, çünkü üçlü noktalarının basıncı çok yüksektir ve bunları sıvı olarak elde etmek zordur. ⓘ
Süblimleşme terimi fiziksel bir hal değişimini ifade eder ve kimyasal bir reaksiyonda bir katının gaza dönüşümünü tanımlamak için kullanılmaz. Örneğin, katı amonyum klorürün ısıtıldığında hidrojen klorür ve amonyağa ayrışması süblimleşme değil, kimyasal bir reaksiyondur. Benzer şekilde, parafin mumu içeren mumların yanarak karbondioksit ve su buharına dönüşmesi de süblimleşme değil, oksijenle gerçekleşen kimyasal bir reaksiyondur. ⓘ
Süblimleşme, bazı moleküllerin komşularının çekici kuvvetlerinin üstesinden gelmesi ve buhar fazına kaçması için yeterli enerjiyi sağlayan ısının emilmesinden kaynaklanır. Süreç ek enerji gerektirdiğinden endotermik bir değişimdir. Süblimleşme entalpisi (süblimleşme ısısı olarak da adlandırılır), füzyon entalpisi ve buharlaşma entalpisi eklenerek hesaplanabilir. ⓘ
Örnekler
Karbondioksit
.jpg)
Katı karbondioksit (kuru buz) üçlü noktanın altındaki çizgi boyunca her yerde (örneğin, atmosfer basıncında -78,5 °C (194,65 K, -109,30 °F) sıcaklıkta) süblimleşirken, sıvı CO2'ye erimesi üçlü noktanın üzerindeki basınç ve sıcaklıklarda (yani, 5,1 atm, -56,6 °C) katı-sıvı çizgisi boyunca gerçekleşebilir. ⓘ
Su
Kar ve buz, 612 Pa (0,00604 atm) üçlü nokta basıncının altındaki kısmi basınçlar için 0 °C'deki donma/erime noktası sıcaklık çizgisinin altındaki sıcaklıklarda daha yavaş da olsa süblimleşir. Dondurarak kurutmada, kurutulacak malzeme dondurulur ve suyunun düşük basınç veya vakum altında süblimleşmesine izin verilir. Soğuk bir büyü sırasında bir kar alanından kar kaybı genellikle güneş ışığının doğrudan karın üst katmanlarına etki etmesinden kaynaklanır. Ablasyon, buzul buzunun süblimleşmesini ve aşınmasını içeren bir süreçtir. ⓘ
Naftalin
Naftalin gibi pestisitlerde yaygın olarak bulunan organik bir bileşik olan naftalin, sadece van der Waals moleküller arası kuvvetler tarafından bir arada tutulan polar olmayan moleküllerden oluştuğu için kolayca süblimleşir. Naftalin, süblimleşme noktası yaklaşık 80 °C veya 176 °F olan standart atmosferik sıcaklıkta süblimleşen bir katıdır. Düşük sıcaklıkta buhar basıncı yeterince yüksektir, 53 °C'de 1 mmHg, naftalinin katı halinin buharlaşarak gaz haline gelmesini sağlar. Soğuk yüzeylerde naftalin buharları katılaşarak iğne benzeri kristaller oluşturacaktır. ⓘ
Diğer maddeler
İyot hafifçe ısıtıldığında duman üretir, ancak bu üçlü noktanın üzerindedir ve bu nedenle gerçek süblimasyon değildir. Sıcaklığı iyodun erime noktasının hemen üzerinde kontrol ederek atmosferik basınçta sıvı iyot elde etmek mümkündür. Adli bilimlerde iyot buharı kağıt üzerindeki gizli parmak izlerini ortaya çıkarabilir. Arsenik de yüksek sıcaklıklarda süblimleşebilir. ⓘ
Kadmiyum ve çinko vakumda kullanım için uygun malzemeler değildir çünkü diğer yaygın malzemelerden çok daha fazla süblimleşirler. ⓘ
Süblimleşme ile saflaştırma
Süblimasyon, kimyagerler tarafından bileşikleri saflaştırmak için kullanılan bir tekniktir. Bir katı tipik olarak bir süblimasyon aparatına yerleştirilir ve vakum altında ısıtılır. Bu düşük basınç altında, katı uçar ve soğutulmuş bir yüzeyde (soğuk parmak) saflaştırılmış bir bileşik olarak yoğunlaşır ve geride uçucu olmayan bir safsızlık kalıntısı bırakır. Isıtma sona erdiğinde ve vakum kaldırıldığında, saflaştırılmış bileşik soğutma yüzeyinden toplanabilir. Daha da yüksek saflaştırma verimliliği için, farklı fraksiyonların ayrılmasına da olanak tanıyan bir sıcaklık gradyanı uygulanır. Tipik kurulumlarda, kontrollü bir şekilde kademeli olarak ısıtılan tahliye edilmiş bir cam tüp kullanılır. Malzeme akışı, ilk malzemenin yerleştirildiği sıcak uçtan bir pompa standına bağlı olan soğuk uca doğrudur. Operatör, tüpün uzunluğu boyunca sıcaklıkları kontrol ederek, çok uçucu bileşiklerin sistemden tamamen dışarı pompalanması (veya ayrı bir soğuk tuzak tarafından yakalanması), orta derecede uçucu bileşiklerin farklı uçuculuklarına göre tüp boyunca yeniden yoğunlaşması ve uçucu olmayan bileşiklerin sıcak uçta kalması ile yeniden yoğunlaşma bölgelerini kontrol edebilir. Bu tip vakum süblimasyonu, tüketici elektroniği ve diğer uygulamaların standartlarını karşılamak için çok yüksek saflıkların (genellikle >% 99,99) gerekli olduğu organik elektronik endüstrisinde kullanılmak üzere organik bileşiklerin saflaştırılması için de tercih edilen bir yöntemdir. ⓘ
Tarihsel kullanım
Modern kimya ve tıbbın gelişimine katkıda bulunan bir protobilim olan antik simyada, simyacılar temel laboratuvar teknikleri, teori, terminoloji ve deneysel yöntemlerden oluşan bir yapı geliştirmişlerdir. Süblimleşme, bir maddenin buhara kadar ısıtıldığı, ardından hemen ısıtma ortamının (tipik olarak bir imbik veya imbik) üst kısmında ve boynunda tortu olarak toplandığı sürece atıfta bulunmak için kullanılmıştır, ancak diğer benzer laboratuvar dışı geçişleri tanımlamak için de kullanılabilir. Basil Valentine ve George Ripley gibi simya yazarları tarafından ve Rosarium philosophorum'da magnum opus'un tamamlanması için gerekli bir süreç olarak bahsedilmiştir. Burada süblimasyon kelimesi, katılar ve gazlar arasındaki laboratuvar faz geçişine benzer bir "bedenler" ve "ruhlar" değişimini tanımlamak için kullanılmıştır. Valentine, Le char triomphal de l'antimoine (Antimonun Zafer Arabası, 1646'da yayınlandı) adlı eserinde, şarap ve biradaki ruhları ayırmak için bitkisel bir süblimasyonun kullanılabileceği spagyrics ile bir karşılaştırma yaptı. Ripley süblimasyonun mistik imalarını daha iyi yansıtan bir dil kullanmış ve sürecin bedenin ruhsallaştırılması ve ruhun bedenselleştirilmesi şeklinde çifte bir yönü olduğunu belirtmiştir. Şöyle yazıyor:
Ve üç nedenden dolayı yüceltme yaparız,
İlk neden bedeni ruhani kılmaktır.
İkincisi ise ruhun bedensel olabilmesidir,
Ve onunla sabitleşir ve birleşir.
Üçüncü sebep, onun pis aslından kaynaklanır.
Temizlenebilir ve tuzluluğu kükürtlü olabilir.
İçinde bulaşıcı olan azalmış olabilir. ⓘ
Süblimasyon tahminleri
Süblimleşme entalpisi genellikle eşit bölüşüm teoremi kullanılarak tahmin edilmiştir. Kafes enerjisinin paketleme enerjisinin yaklaşık yarısı olduğu varsayılırsa, süblimleşme entalpisini tahmin etmek için aşağıdaki termodinamik düzeltmeler uygulanabilir. 1 molar ideal gaz varsayımı, pV = RT olan termodinamik ortam (basınç ve hacim) için bir düzeltme, dolayısıyla 1RT'lik bir düzeltme sağlar. Daha sonra titreşimler, dönüşler ve öteleme için ek düzeltmelerin uygulanması gerekir. Eşitlik teoremine göre gaz halindeki dönme ve ötelemenin her biri son duruma 1,5RT katkıda bulunur, dolayısıyla +3RT'lik bir düzeltme uygulanır. Kristal titreşimleri ve rotasyonların her biri ilk duruma 3RT katkıda bulunur, dolayısıyla -6RT. RT düzeltmelerini toplarsak; -6RT + 3RT + RT = -2RT. Bu da aşağıdaki yaklaşık süblimasyon entalpisine yol açar. Katı cisimler varsayılırsa entropi terimi için de benzer bir yaklaşım bulunabilir. ⓘ
Boya süblimasyon baskısı
Boya altı baskı, polyester ve polimer kaplı alt tabakalarla çalışan tam renkli resimlerin kullanıldığı bir dijital baskı teknolojisidir. Dijital süblimasyon olarak da adlandırılan bu süreç genellikle giysilerin, tabelaların ve afişlerin yanı sıra cep telefonu kılıfları, plaketler, kahve kupaları ve süblimasyona uygun yüzeylere sahip diğer ürünler gibi yeni ürünlerin dekorasyonunda kullanılır. Süreç, ısı ve basıncın bir katıya uygulandığı ve sıvı fazdan geçmeden endotermik bir reaksiyonla onu bir gaza dönüştürdüğü süblimasyon bilimini kullanır. ⓘ
Süblimasyon baskıda, benzersiz süblimasyon boyaları, piezoelektrik bir baskı kafası aracılığıyla sıvı jel mürekkep yoluyla "transfer" kağıdına aktarılır. Mürekkep, süblimasyon baskı sürecinin bir sonraki adımı için kullanılan bu yüksek salınımlı mürekkep püskürtmeli kağıtlar üzerinde biriktirilir. Dijital tasarım süblimasyon transfer kağıtlarına basıldıktan sonra, süblimleştirilecek alt tabaka ile birlikte bir ısı presine yerleştirilir. ⓘ
Görüntüyü kağıttan alt tabakaya aktarmak için, zaman, sıcaklık ve basıncın bir kombinasyonu olan bir ısı presi işlemi gerekir. Isı presi, alt tabakaya bağlı olarak değişebilen bu özel kombinasyonu, süblimasyon boyalarını moleküler düzeyde alt tabakaya "aktarmak" için uygular. Süblimasyon için kullanılan en yaygın boyalar 350 Fahrenheit derecede aktive olur. Bununla birlikte, optimum renk için normalde 380 ila 420 derece Fahrenheit aralığı önerilir. ⓘ
Süblimasyon işleminin nihai sonucu neredeyse kalıcı, yüksek çözünürlüklü, tam renkli bir baskıdır. Boyalar topikal düzeyde uygulanmak yerine (serigrafi ve doğrudan giysiye baskıda olduğu gibi) alt tabakaya moleküler düzeyde aşılandığından, baskılar normal koşullar altında alt tabakadan çatlamaz, solmaz veya soyulmaz. ⓘ
Ayrıca bakınız
- Ablasyon
- Süblimleşme entalpisi
- Dondurarak kurutma
- Dondurucu yanığı - süblimasyon içeren yaygın süreç
- Faz diyagramı ⓘ
Tablo
için Kimden
|
Katı | Sıvı | Gaz | Plazma |
|---|---|---|---|---|
| Katı | Erime | Süblimasyon | ||
| Sıvı | Dondurma | Buharlaşma | ||
| Gaz | İfade Alma | Yoğuşma | İyonizasyon | |
| Plazma | Rekombinasyon |