סובלימציה מתקדמת: מושג, תהליך ודוגמאות - כִּימִיָה - 2025

סובלימציה המתקדמת היא תהליך תרמודינמי שבו שינוי אנדותרמית מתרחש מדינה ישירות מוצק לגז, ללא היווצרות מוקדמת של הנוזל. התנהגות המוצק בתנאים רגילים היא להתחמם ולהימס; כלומר להתמזג. בינתיים, בסובלימציה המוצק מתחיל לעשן ישירות, ללא הופעה קודמת של טיפות המעידות על התכה שלו.

מה שמתואר בפסקה לעיל מיוצג בתמונה למעלה. נניח תערובת תפוז מוצקה (משמאל), שמתחילה להתחמם. התערובת מורכבת משני רכיבים או מוצקים: האחד צהוב והשני אדום, והשילוב ביניהם מייצר את הצבע הכתום.

דוגמה לסובלימציה של מוצק כתום היפותטי. מקור: גבריאל בוליבר.

המוצק האדום סובלימיט, מכיוון שנוזל אינו נוצר ממנו אלא בסופו של דבר מופקד (משולשים אדומים) בבסיס המכל העליון; זו שמכילה קוביות קרח, ולכן מציעה משטח קר. בינתיים המוצק הצהוב נותר ללא שינוי על ידי חום (מלבן צהוב).

המשולשים האדומים או הגבישים מופקדים בזכות המשטח הקר של המיכל הקולט (מימין), הסופג את הטמפרטורה שלהם; וגם אם זה לא מופיע, גודל קוביות הקרח שלכם אמור לרדת בגלל ספיגת החום. המוצק הצהוב אינו ניתן לסובלימציה, ואם תמשיכו לחמם אותו במוקדם או במאוחר הוא יימס.

מושג סובלימציה פרוגרסיבי

תהליך

כבר נאמר כי סובלימציה היא שינוי מצב אנדותרמי, מכיוון שהיא צריכה להתרחש צריכה להיות ספיגת חום. אם המוצק סופג חום האנרגיה שלו תגבר, כך שגם החלקיקים שלו ירטטו בתדרים גבוהים יותר.

כאשר הרטטים הללו נעשים חזקים מאוד הם בסופו של דבר משפיעים על אינטראקציות בין-מולקולריות (לא על קשרים קוולנטיים); וכתוצאה מכך, במוקדם או במאוחר החלקיקים יתרחקו אחד מהשני, עד שהם יצליחו לזרום ולעבור בצורה חופשית יותר דרך אזורי המרחב.

בחלק מהמוצקים, התנודות כה חזקות עד כי חלקיקים "יורים" מחוץ למבנה במקום להתאסף באשכולות נעים המגדירים טיפה. חלקיקים אלה נמלטים ומשלבים את ה"בועה "הראשונה, שעדיפה להגיע לאדים הראשונים של המוצק המופקד.

אנו מדברים אז לא על נקודת התכה, אלא על נקודת סובלימציה. למרות ששניהם תלויים בלחץ השולט במוצק, נקודת הסובלימציה היא יותר; לכן הטמפרטורה שלה משתנה להפליא עם שינויים בלחץ (וכך גם נקודת הרתיחה).

ממבנה מוצק להפרעה גזי

בסובלימציה נאמר גם כי יש עלייה באנטרופיה של המערכת. המצבים האנרגטיים של החלקיקים עוברים מלהיות מוגבלים על ידי מיקומם הקבוע במבנה המוצק, להומוגניזציה בכיוונם הגחמניים והכאוטיים במצב הגזים האחיד יותר, שם הם סוף סוף רוכשים אנרגיה קינטית ממוצעת.

תרשים שלב ונקודה משולשת

נקודת הסובלימציה תלויה בלחץ; מכיוון שאחרת, החלקיקים המוצקים יספגו חום לא לירות בחלל מחוץ למוצק, אלא כדי ליצור טיפות. זה לא היה סובלימטי, אלא יתמוסס או יתמוסס, כרגיל.

ככל שהלחץ החיצוני גדול יותר, כך סובלת הסובלימציה פחות, שכן המוצק נאלץ להמיס.

אך אילו מוצקים ניתנים לסובלימציה ואילו לא? התשובה נעוצה בתרשימי ה- P לעומת T, כמו זו שמוצגת להלן:

תרשים שלב לחומר היפותטי. מקור: גבריאל בוליבר.

ראשית עלינו להביט בנקודת המשולש ולעבור את החלק התחתון: זה המפריד בין המצבים המוצקים והגזים. שימו לב שבאזור המוצק חייבת להיות ירידה בלחץ כדי שהסובלימציה תתרחש (לא בהכרח ב 1 אטמוספירה, הלחץ האטמוספרי שלנו). בשעה 1 אטמוספירה, החומר ההיפותטי יעבור את המשנה לטמפרטורה שצורה לידי ביטוי ב- K.

ככל שהקטע או העקומה ארוכים ואופקיים מתחת לנקודת המשולש, כך יכולתו של המוצק להתרומם לטמפרטורות שונות גדולה יותר; אבל אם הוא נמצא מתחת לאטמוספירה אחת, אז יהיה צורך בשאבים גדולים כדי להשיג סובלימציה, כך שיורידו הלחצים (0.0001 אטמוספירה, למשל).

תנאים

אם נקודת המשולש נמוכה אלפי פעמים מהלחץ האטמוספרי, המוצק לעולם לא יעבור אפילו ללא אולטרה -וואקום (שלא לדבר על רגישותו לפירוק על ידי פעולת החום).

אם זה לא המקרה, הסובלימציות מתבצעות על ידי חימום בינוני, ומכניסים את המוצק לוואקום כך שחלקיקיו יימלטו ביתר קלות, ללא צורך בספיגת חום כה רב.

סובלימציה הופכת חשובה מאוד כאשר מתמודדים במיוחד עם מוצקים עם לחץ אדי גבוה; כלומר הלחץ בפנים, השתקפות של היעילות של האינטראקציות שלהם. ככל שלחץ האדים שלו גבוה יותר, הוא ריחני יותר וככל שהוא נשמע סובלימציה.

דוגמאות

טיהור מוצקים

הדימוי של המוצק הכתום והמרכיב האדמדם הנשגב שלו הוא דוגמא למה שהסובלימציה מייצגת בכל מה שקשור לטיהור מוצקים. ניתן להמיר מחדש משולשים אדומים לפי הצורך עד להבטיח טוהר גבוה.

טכניקה זו משמשת בעיקר עם מוצקים ריחניים. לדוגמה: קמפור, קפאין, בנזואין ומנטול.

בין מוצקים אחרים שיכולים להיות סובלימציה יש לנו: יוד, קרח (בגובה רב), תיאוברומין (משוקולד), סכרין, מורפין ותרופות אחרות, בסיסים חנקניים ואנתרן.

סינתזת גביש

בחזרה למשולשים האדומים, סובלימציה מציעה אלטרנטיבה להתגבשות המקובלת; גבישים כבר לא יסונכרנו מתמיסה, אלא באמצעות הצבת האדים המבוקרת ביותר האפשרית על משטח קר, שם יתכנו בנוחות זרעים גבישיים לטובת מורפולוגיה ספציפית.

נניח, אם יש לך ריבועים אדומים, גידול הגבישים ישמור על הגיאומטריה הזו והם לא צריכים להיות משולשים. הריבועים האדומים יגדלו בהדרגה ככל שהסובלימציה תתרחש. עם זאת, מדובר במתחם מורכב תפעולי ומולקולרי, בו מעורבים משתנים רבים.

דוגמאות לקריסטלים המסונתזים באמצעות סובלימציה הם: סיליקון קרביד (SiC), גרפיט, ארסן, סלניום, זרחן, אלומיניום ניטריד (AlN), קדמיום סולפיד (CdS), סלניום אבץ (ZnSe), יוד כספית (HgI ₂₎ ), גרפן, בין היתר.

שימו לב שמדובר באמת בשתי תופעות שזורות זו בזו: סובלימציה מתקדמת ותצהיר (או סובלימציה הפוכה); האדים נודדים מהאזורים המוצקים למקררים או משטחים קרירים יותר, ובסופו של דבר מתמקמים בצורת גבישים.

הפניות

1. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. (2008). כִּימִיָה (מהדורה 8). לימוד CENGAGE.
2. ויקיפדיה. (2019). סובלימציה (מעבר שלב). התאושש מ: en.wikipedia.org
3. ג'ונס, אנדרו צימרמן. (27 בינואר, 2019). הַאֲצָלָה. התאושש מ: thoughtco.com
4. שילה מוריסי. (2019). מהי סובלימציה בכימיה? - הגדרה, תהליך ודוגמאות. לימוד. התאושש מ: study.com
5. Elsevier BV (2019). שיטת סובלימציה. ScienceDirect. התאושש מ: sciencedirect.com