Interested Article - Сублимация (физика)

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.

Сублима́ция (от лат. «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 .

Обратным процессом является десублимация — конденсация вещества из парообразного состояния, минуя жидкое, непосредственно в твёрдое состояние . 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 . Образование и изменение ядер комет также имеет сублимационно-десублимационную природу .

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

Примеры возгонки

Сублимация иода

Возгонка характерна, например, для элементарного иода I ₂ , 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 льда

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

Применение процесса

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.

Применение сублимации в лабораторной технике

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 сушка

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.