Sublimación

La sublimación es el paso de una sustancia directamente del estado sólido al gaseoso, sin pasar por el estado líquido. La sublimación es un proceso endotérmico que ocurre a temperaturas y presiones por debajo del punto triple de una sustancia en su diagrama de fase, que corresponde a la presión más baja a la que la sustancia puede existir como líquido. El proceso inverso de la sublimación es la deposición o desublimación, en el que una sustancia pasa directamente de una fase gaseosa a una sólida. La sublimación también se ha utilizado como término genérico para describir una transición de sólido a gas (sublimación) seguida de una transición de gas a sólido (deposición).Mientras que la vaporización de líquido a gas ocurre como evaporación desde la superficie si ocurre por debajo del punto de ebullición del líquido, y como ebullición con formación de burbujas en el interior del líquido si ocurre en el punto de ebullición, no existe tal distinción para la transición de sólido a gas que siempre ocurre como sublimación desde la superficie.

A presiones normales, la mayoría de los compuestos y elementos químicos poseen tres estados diferentes a diferentes temperaturas. En estos casos, la transición del estado sólido al gaseoso requiere un estado líquido intermedio. La presión a la que se hace referencia es la presión parcial de la sustancia, no la presión total (por ejemplo, la atmosférica) de todo el sistema. Por lo tanto, todos los sólidos que poseen una presión de vapor apreciable a cierta temperatura generalmente pueden sublimar en el aire (por ejemplo, hielo de agua justo por debajo de 0 °C). Para algunas sustancias, como el carbón y el arsénico, la sublimación es mucho más fácil que la evaporación del fundido, porque la presión de su punto triple es muy alta y es difícil obtenerlas en forma líquida.

El término sublimación se refiere a un cambio físico de estado y no se usa para describir la transformación de un sólido a un gas en una reacción química. Por ejemplo, la disociación al calentar el cloruro de amonio sólido en cloruro de hidrógeno y amoníaco no es una sublimación sino una reacción química. De manera similar, la combustión de velas que contienen cera de parafina en dióxido de carbono y vapor de agua no es sublimación sino una reacción química con oxígeno.

La sublimación es causada por la absorción de calor que proporciona suficiente energía para que algunas moléculas superen las fuerzas de atracción de sus vecinas y escapen a la fase de vapor. Dado que el proceso requiere energía adicional, es un cambio endotérmico. La entalpía de sublimación (también llamada calor de sublimación) se puede calcular sumando la entalpía de fusión y la entalpía de vaporización.

Ejemplos

Dióxido de carbono

El dióxido de carbono sólido (hielo seco) se sublima en todas partes a lo largo de la línea por debajo del punto triple (p. ej., a la temperatura de −78,5 °C (194,65 K, −109,30 °F) a presión atmosférica, mientras que su fusión en CO ₂ líquido puede ocurrir a lo largo de la línea sólido-líquido a presiones y temperaturas por encima del punto triple (es decir, 5,1 atm, −56,6 °C).

Agua

La nieve y el hielo se subliman, aunque más lentamente, a temperaturas por debajo de la línea de temperatura del punto de congelación/fusión a 0 °C para presiones parciales por debajo de la presión del punto triple de 612 Pa (0,00604 atm). En la liofilización, el material a deshidratar se congela y su agua se deja sublimar bajo presión reducida o vacío. La pérdida de nieve de un campo de nieve durante una ola de frío a menudo se debe a que la luz del sol actúa directamente sobre las capas superiores de la nieve. La ablación es un proceso que incluye la sublimación y el desgaste erosivo del hielo glaciar.

Naftalina

El naftaleno, un compuesto orgánico que se encuentra comúnmente en pesticidas como las bolas de naftalina, se sublima fácilmente porque está hecho de moléculas no polares que se mantienen unidas solo por fuerzas intermoleculares de van der Waals. El naftaleno es un sólido que se sublima a temperatura atmosférica estándar con un punto de sublimación de alrededor de 80 °C o 176 °F. A baja temperatura, su presión de vapor es lo suficientemente alta, 1 mmHg a 53 °C, para hacer que la forma sólida de naftaleno se evapore a gas. En superficies frías, los vapores de naftaleno se solidificarán para formar cristales en forma de aguja.

Otras sustancias

El yodo produce vapores con un calentamiento suave, aunque está por encima del punto triple y, por lo tanto, no es una verdadera sublimación. Es posible obtener yodo líquido a presión atmosférica controlando la temperatura justo por encima del punto de fusión del yodo. En la ciencia forense, el vapor de yodo puede revelar huellas dactilares latentes en el papel. El arsénico también puede sublimar a altas temperaturas.

El cadmio y el zinc no son materiales adecuados para su uso en el vacío porque subliman mucho más que otros materiales comunes.

Purificación por sublimación

La sublimación es una técnica utilizada por los químicos para purificar compuestos. Normalmente, un sólido se coloca en un aparato de sublimación y se calienta al vacío. Bajo esta presión reducida, el sólido se volatiliza y se condensa como un compuesto purificado en una superficie enfriada (dedo frío), dejando atrás un residuo no volátil de impurezas. Una vez que cesa el calentamiento y se elimina el vacío, el compuesto purificado se puede recoger de la superficie de enfriamiento. Para eficiencias de purificación aún mayores, se aplica un gradiente de temperatura, que también permite la separación de diferentes fracciones. Las configuraciones típicas usan un tubo de vidrio al vacío que se calienta gradualmente de manera controlada. El flujo de material va desde el extremo caliente, donde se coloca el material inicial, hasta el extremo frío que está conectado a un soporte de bomba. Al controlar las temperaturas a lo largo del tubo, el operador puede controlar las zonas de recondensación, con compuestos muy volátiles bombeados fuera del sistema por completo (o atrapados por una trampa de frío separada), compuestos moderadamente volátiles recondensados ​​a lo largo del tubo según sus diferentes volatilidades, y compuestos no volátiles remanentes en el hotend.

Uso histórico

En la alquimia antigua, una protociencia que contribuyó al desarrollo de la química y la medicina modernas, los alquimistas desarrollaron una estructura de técnicas básicas de laboratorio, teoría, terminología y métodos experimentales. La sublimación se usó para referirse al proceso en el que una sustancia se calienta hasta convertirse en vapor, luego se acumula inmediatamente como sedimento en la parte superior y el cuello del medio de calentamiento (típicamente una retorta o alambique), pero también se puede usar para describir otros similares. transiciones que no son de laboratorio. Fue mencionado por autores alquímicos como Basil Valentine y George Ripley, y en el Rosarium philosophorum, como un proceso necesario para la realización de la magnum opus. Aquí, la palabra sublimaciónse utilizó para describir un intercambio de "cuerpos" y "espíritus" similar a la transición de fase de laboratorio entre sólidos y gases. Valentine, en su Le char triomphal de l'antimoine (Triumphal Chariot of Antimony, publicado en 1646) hizo una comparación con los espagíricos en los que se puede utilizar una sublimación vegetal para separar los espíritus del vino y la cerveza. Ripley usó un lenguaje más indicativo de las implicaciones místicas de la sublimación, indicando que el proceso tiene un doble aspecto en la espiritualización del cuerpo y la corporalización del espíritu. El escribe:

Y las Sublimaciones las hacemos por tres causas.La primera causa es hacer el cuerpo espiritual.La segunda es que el espíritu sea corpóreo,y se fije con él y sea consustancial.La tercera causa es la de su sucio original.Puede ser limpiado, y su salinidad sulfurosapuede ser disminuida en lo que es infeccioso.

Predicciones de sublimación

La entalpía de sublimación se ha predicho comúnmente usando el teorema de equipartición. Si se supone que la energía de red es aproximadamente la mitad de la energía de empaquetamiento, se pueden aplicar las siguientes correcciones termodinámicas para predecir la entalpía de sublimación. Suponiendo que un gas ideal 1 molar da una corrección para el entorno termodinámico (presión y volumen) en el que pV = RT, por lo tanto, una corrección de 1RT. Luego se deben aplicar correcciones adicionales para las vibraciones, rotaciones y traslación. Del teorema de equipartición, la rotación y la traslación gaseosas aportan 1.5RT cada una al estado final, por lo tanto, una corrección de +3RT. Las vibraciones y rotaciones cristalinas aportan 3RT cada una al estado inicial, por lo tanto −6RT. Sumando las correcciones de RT; −6RT + 3RT + RT = −2RT.Esto conduce a la siguiente entalpía de sublimación aproximada. Se puede encontrar una aproximación similar para el término de entropía si se suponen cuerpos rígidos.

Impresión por sublimación de tinta

La impresión por sublimación de tinta es una tecnología de impresión digital que utiliza ilustraciones a todo color que funcionan con sustratos recubiertos de poliéster y polímeros. También conocido como sublimación digital, el proceso se usa comúnmente para decorar ropa, letreros y pancartas, así como artículos novedosos como cubiertas de teléfonos celulares, placas, tazas de café y otros artículos con superficies aptas para la sublimación. El proceso utiliza la ciencia de la sublimación, en la que se aplica calor y presión a un sólido, convirtiéndolo en gas mediante una reacción endotérmica sin pasar por la fase líquida.

En la impresión por sublimación, los tintes de sublimación únicos se transfieren a hojas de papel de "transferencia" a través de tinta de gel líquido a través de un cabezal de impresión piezoeléctrico. La tinta se deposita en estos papeles para inyección de tinta de alta liberación, que se utilizan para el siguiente paso del proceso de impresión por sublimación. Después de imprimir el diseño digital en hojas de transferencia de sublimación, se coloca en una prensa térmica junto con el sustrato que se va a sublimar.

Para transferir la imagen del papel al sustrato, se requiere un proceso de prensado en caliente que es una combinación de tiempo, temperatura y presión. La prensa térmica aplica esta combinación especial, que puede cambiar según el sustrato, para "transferir" los tintes de sublimación a nivel molecular al sustrato. Los tintes más comunes utilizados para la sublimación se activan a 350 grados Fahrenheit. Sin embargo, normalmente se recomienda un rango de 380 a 420 grados Fahrenheit para un color óptimo.

El resultado final del proceso de sublimación es una impresión a todo color casi permanente, de alta resolución. Debido a que los tintes se infunden en el sustrato a nivel molecular, en lugar de aplicarse a nivel tópico (como con la serigrafía y la impresión directa en prendas), las impresiones no se agrietarán, desvanecerán ni se desprenderán del sustrato en condiciones normales.