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Sublimación (transición de fase)

Cristales de niqueloceno de color verde oscuro , sublimados y recién depositados sobre un dedo frío. Sublimación del yodo La sublimación es la transición de una sustancia direct...

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Cristales de niqueloceno de color verde oscuro , sublimados y recién depositados sobre un dedo frío.
Sublimación del yodo

La sublimación es la transición de una sustancia directamente del estado sólido al gaseoso , sin pasar por el estado líquido intermedio . [ 1 ] La forma verbal de sublimación es sublimar , o menos preferiblemente, sublimar . [ 2 ] Sublimar también se refiere al producto obtenido por sublimación. [ 2 ] [ 3 ] El punto en el que la sublimación ocurre rápidamente (para más detalles, véase más abajo ) se llama punto crítico de sublimación, o simplemente punto de sublimación. Ejemplos notables incluyen la sublimación del hielo seco a temperatura ambiente y presión atmosférica, y la del yodo sólido con calentamiento.

El proceso inverso de la sublimación es la deposición (también llamada desublimación ), en la cual una sustancia pasa directamente de la fase gaseosa a la fase sólida, sin pasar por el estado líquido intermedio. [ 4 ]

Técnicamente, todos los sólidos pueden sublimarse, aunque la mayoría lo hacen a velocidades extremadamente bajas, casi indetectables en condiciones normales. A presiones normales , la mayoría de los compuestos químicos y elementos presentan tres estados distintos 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 (p. ej., atmosférica) de todo el sistema. Por lo tanto, cualquier sólido puede sublimarse si su presión de vapor es superior a la presión parcial circundante de la misma sustancia, y en algunos casos, la sublimación se produce a una velocidad apreciable (p. ej., hielo de agua justo por debajo de 0  °C).

Para algunas sustancias, como el carbono y el arsénico , la sublimación desde el estado sólido es mucho más factible que la evaporación desde el estado líquido, y resulta difícil obtenerlas en estado líquido. Esto se debe a que la presión de su punto triple en su diagrama de fases (que corresponde a la presión más baja a la que la sustancia puede existir como líquido) es muy alta.

La sublimación se produce por la absorción de calor, que proporciona la energía suficiente para que algunas moléculas superen las fuerzas de atracción de sus vecinas y pasen a la fase gaseosa. Dado que el proceso requiere energía adicional, la sublimación 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 .

Confusiones

Aunque la definición de sublimación es sencilla, a menudo existe confusión sobre qué se considera sublimación.

Correspondencia falsa con la vaporización

La vaporización (de líquido a gas) se divide en dos tipos: la vaporización en la superficie del líquido se llama evaporación , y la vaporización en el punto de ebullición con formación de burbujas en el interior del líquido se llama ebullición . Sin embargo, no existe tal distinción para la transición de sólido a gas, que siempre se denomina sublimación en ambos casos.

Distinción potencial

Para mayor claridad, es necesario distinguir entre los dos casos correspondientes. En un diagrama de fases , la sublimación que ocurre a la izquierda del límite sólido-gas, el punto triple o el límite sólido-líquido (que corresponde a la evaporación en la vaporización) se denomina sublimación gradual ; y la sustancia se sublima gradualmente , independientemente de la velocidad. La sublimación que ocurre en el límite sólido-gas (punto crítico de sublimación) (que corresponde a la ebullición en la vaporización) se denomina sublimación rápida , y la sustancia se sublima rápidamente . Los términos «gradual» y «rápido» han adquirido significados especiales en este contexto y ya no describen la velocidad de sublimación.

Uso indebido para reacción química

El término sublimación se refiere específicamente a un cambio físico de estado y no se utiliza para describir la transformación de un sólido en un gas en una reacción química. Por ejemplo, la disociación del cloruro de amonio sólido al calentarse , que se convierte en cloruro de hidrógeno y amoníaco, no es sublimación, sino una reacción química. Del mismo modo, la combustión de velas que contienen parafina , que producen dióxido de carbono y vapor de agua, no es sublimación, sino una reacción química con oxígeno.

Definición histórica

Históricamente, la sublimación se utiliza como término genérico para describir una transición de fase en dos etapas: una transición de sólido a gas (sublimación en una definición más precisa) seguida de una transición de gas a sólido ( deposición ). [ 5 ] [ 6 ] (Véase más abajo )

Ejemplos

Comparación de los diagramas de fases del dióxido de carbono (rojo) y el agua (azul), que muestran el punto de sublimación del dióxido de carbono (centro-izquierda) a 1 atmósfera. Al calentarse, el hielo seco cruza este punto siguiendo la línea horizontal gruesa, pasando directamente de la fase sólida a la fase gaseosa. El agua, en cambio, pasa por una fase líquida a 1 atmósfera.

Los ejemplos mostrados son sustancias que se subliman notablemente bajo ciertas condiciones.

Dióxido de carbono

Sublimación de hielo seco en el aire

El dióxido de carbono sólido ( hielo seco ) se sublima rápidamente a lo largo del límite sólido-gas (punto de sublimación) por debajo del punto triple (por ejemplo, a una temperatura de -78,5  °C, a presión atmosférica ), mientras que su fusión en CO₂ líquido puede ocurrir a lo largo del límite sólido-líquido ( punto de fusión ) 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 gradualmente a temperaturas inferiores al límite sólido-líquido (punto de fusión) (generalmente 0  °C) y a presiones parciales inferiores a la presión del punto triple de 612 Pa (0,00604 atm) , a una velocidad baja. [ 7 ] En la liofilización , el material que se va a deshidratar se congela y se deja que su agua se sublime a presión reducida o al vacío. La pérdida de nieve de un campo de nieve durante un período de frío suele deberse a la acción directa de la luz solar sobre las capas superiores de la nieve. La sublimación del hielo es un factor del desgaste erosivo del hielo glaciar , conocido como ablación en glaciología . [ 8 ]  

Naftalina

Montaje experimental para la reacción de sublimación del naftaleno : el naftaleno sólido se sublima y forma una estructura cristalina en el fondo del vidrio de reloj.
Compuesto sólido de naftaleno sublimado para formar una estructura cristalina en la superficie fría.

El naftaleno , un compuesto orgánico que se encuentra comúnmente en pesticidas como las bolas de naftalina , se sublima fácilmente porque está formado por moléculas no polares que se mantienen unidas únicamente por fuerzas intermoleculares de van der Waals . El naftaleno es un sólido que se sublima gradualmente a temperatura y presión estándar , [ 9 ] a una velocidad elevada, con el punto crítico de sublimación alrededor de los 80  °C. [ 10 ] A baja temperatura, su presión de vapor es lo suficientemente alta, 1  mmHg a 53  °C, [ 11 ] como para que la forma sólida del naftaleno se evapore en gas. En superficies frías, los vapores de naftaleno se solidifican para formar cristales aciculares.

Yodo

El yodo se sublima gradualmente y produce vapores visibles al calentarlo suavemente a temperatura ambiente . Es posible obtener yodo líquido a presión atmosférica controlando la temperatura justo entre su punto de fusión y su punto de ebullición. En ciencias forenses , el vapor de yodo puede revelar huellas dactilares latentes en papel. [ 12 ]

Otras sustancias

Sublimación de alcanfor en un dedal frío . El producto crudo en la parte inferior es de color marrón oscuro; el producto purificado blanco en la parte inferior del dedal frío superior es difícil de distinguir sobre el fondo claro.

A presión atmosférica , el arsénico se sublima gradualmente al calentarse, y se sublima rápidamente a 887 K (614 °C) . [ 13 ]  

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

Purificación por sublimación

Cristales de ferroceno tras su purificación por sublimación al vacío.

La sublimación es una técnica utilizada por los químicos para purificar compuestos . Un sólido se coloca típicamente en un aparato de sublimación y se calienta al vacío . Bajo esta presión reducida , el sólido se volatiliza y condensa como un compuesto purificado en una superficie enfriada ( dedo frío ), dejando 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. [ 14 ] [ 15 ] Para eficiencias de purificación aún mayores, se aplica un gradiente de temperatura , que también permite la separación de diferentes fracciones. Las configuraciones típicas utilizan 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 la temperatura a lo largo del tubo, el operador puede controlar las zonas de recondensación: los compuestos muy volátiles se extraen completamente del sistema (o se capturan mediante una trampa fría independiente ), los compuestos moderadamente volátiles se recondensan a lo largo del tubo según su volatilidad, y los compuestos no volátiles permanecen en el extremo caliente. Este tipo de sublimación al vacío es también el método preferido para la purificación de compuestos orgánicos utilizados en la industria de la electrónica orgánica , donde se requieren purezas muy elevadas (a menudo superiores al 99,99 %) para cumplir con los estándares de la electrónica de consumo y otras aplicaciones.

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 utilizaba para referirse al proceso en el que una sustancia se calienta hasta convertirse en vapor y se deposita inmediatamente como sedimento en la parte superior y el cuello del recipiente de calentamiento (típicamente una retorta o un alambique ), pero también puede usarse para describir otras transiciones similares fuera del laboratorio. Fue mencionada por autores alquímicos como Basil Valentine y George Ripley , y en el Rosarium philosophorum , como un proceso necesario para la culminación de la obra magna . En este contexto, la palabra sublimación se utilizaba para describir un intercambio de "cuerpos" y "espíritus" similar a la transición de fase en el laboratorio entre sólidos y gases. Valentine, en su Le char triomphal de l'antimoine (Carro triunfal del antimonio, publicado en 1646) hizo una comparación con la espagiria en la que una sublimación vegetal puede usarse para separar los espíritus en el vino y la cerveza. [ 16 ] 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. [ 17 ] Él escribe: [ 18 ]

Y realizamos sublimaciones por tres razones: La primera es espiritualizar el cuerpo. La segunda es que el espíritu sea corpóreo y se fije a él, haciéndose consustancial. La tercera es que se purifique de su origen impuro y disminuya su salinidad sulfurosa, que es contagiosa.

Predicciones de sublimación

La entalpía de sublimación se ha predicho comúnmente utilizando el teorema de equipartición . Si se supone que la energía reticular es aproximadamente la mitad de la energía de empaquetamiento, entonces se pueden aplicar las siguientes correcciones termodinámicas para predecir la entalpía de sublimación. Suponiendo un gas ideal 1 molar se obtiene una corrección para el entorno termodinámico (presión y volumen) en el que pV = RT , por lo tanto una corrección de 1 RT . Luego se deben aplicar correcciones adicionales para las vibraciones , rotaciones y traslación. Según el teorema de equipartición, la rotación y la traslación gaseosas contribuyen 1,5 RT cada una al estado final, por lo tanto una corrección de +3 RT . Las vibraciones y rotaciones cristalinas contribuyen 3 RT cada una al estado inicial, por lo tanto −6 RT . Sumando las correcciones RT ; −6 RT + 3 RT + RT = −2 RT . [ 19 ] 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. [ 20 ] [ 21 ]ΔHsublimación=−Uenergía reticular−2RT{\displaystyle \Delta H_{\text{sublimación}}=-U_{\text{energía reticular}}-2RT}

Impresión por sublimación de tinta

La impresión por sublimación es una tecnología de impresión digital que utiliza diseños a todo color y funciona con sustratos de poliéster y polímeros. También conocida como sublimación digital, este proceso se usa comúnmente para decorar prendas de vestir, letreros y pancartas, así como artículos promocionales como fundas para celulares, placas, tazas de café y otros objetos con superficies aptas para la sublimación. El proceso se basa en el principio de la sublimación, en el cual se aplica calor y presión a un sólido, transformándolo en gas mediante una reacción endotérmica sin pasar por la fase líquida.

En la impresión por sublimación, los tintes especiales se transfieren a hojas de papel de transferencia mediante tinta líquida en gel a través de un cabezal de impresión piezoeléctrico. La tinta se deposita en estos papeles de inyección de tinta de alta liberación, que se utilizan para la siguiente etapa del proceso de impresión por sublimación. Una vez impreso el diseño digital en las hojas de transferencia de sublimación, se colocan 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 térmico que combina tiempo, temperatura y presión. La prensa térmica aplica esta combinación especial, que puede variar según el sustrato, para transferir los tintes de sublimación a nivel molecular. Los tintes más comunes para sublimación se activan a 175  °C. Sin embargo, para obtener un color óptimo, se recomienda un rango de temperatura de entre 195  °C y 215  °C.

El resultado del proceso de sublimación es una impresión a todo color, de alta resolución y prácticamente permanente. Dado que los tintes se infunden en el sustrato a nivel molecular, en lugar de aplicarse superficialmente (como en la serigrafía o la impresión directa sobre prendas), las impresiones no se agrietarán, decolorarán ni despegarán del sustrato en condiciones normales.

Tabla de transiciones de fase de la materia

Véase también

Referencias

  1. ↑ Whitten, Kenneth W.; Gailey, Kenneth D.; Davis, Raymond E. (1992). Química general (4.ª  ed.). Saunders College Publishing. pág. 475. ISBN  0-03-072373-6.
  2. 1 2 "Sublimar" . Diccionario Merriam-Webster.com . Merriam-Webster. OCLC 1032680871 . 
  3. ↑ "Sublimar" . Diccionario CollinsDictionary.com .
  4. ↑ Boreyko, Jonathan B.; Hansen, Ryan R.; Murphy, Kevin R.; Nath, Saurabh; Retterer, Scott T.; Collier, C. Patrick (2016). "Control de la condensación y el crecimiento de escarcha con micropatrones químicos" . Scientific Reports . 6 19131. Bibcode : 2016NatSR...619131B . doi : 10.1038/srep19131 . PMC 4726256. PMID 26796663 .  
  5. ↑ "Sublime" . Dictionary.com Unabridged (Online). nd
  6. ↑ "Sublime" . Diccionario CollinsDictionary.com .
  7. ↑ Fassnacht, SR (2004). "Estimación de la subcaptura de nieve, la sublimación del manto nival y el transporte de nieve arrastrada por el viento en seis sitios de los Estados Unidos continentales". Hydrol. Process . 18 (18): 3481– 3492. Bibcode : 2004HyPr...18.3481F . doi : 10.1002/hyp.5806 . S2CID 129927018 . 
  8. ↑ " Glosario de Meteorología " . Archivado del original el 17-09-2011 . Consultado el 05-07-2010 .
  9. ↑ Caroll, J. (2014). Hidratos de gas natural . Gulf Professional. pág. 16. ISBN  978-0-12-800575-0.
  10. ↑ Redactor(es) (2015). "¿Qué sólidos experimentan sublimación?" . National Science Foundation y UCSB School-University partnership . Consultado el 13 de noviembre de 2015 .
  11. ↑ Pavia, D. (2005). Introducción a la técnica de laboratorio de química orgánica . Thomson Brooks/Cole. pp. 781–782 . ISBN  978-0-534-40833-6.
  12. ↑ Girard, James (2011). Criminalística: Ciencia forense, crimen y terrorismo . Jones & Bartlett Learning. págs. 143–144 . ISBN  978-0-7637-7731-9.
  13. ^ Holleman, Arnold F.; Wiberg, Egon; Wiberg, Nils (1985). "Arsen". Lehrbuch der Anorganischen Chemie (en alemán) (91-100 ed.). Walter de Gruyter. págs. 675–681 . ISBN   978-3-11-007511-3.
  14. ↑ RB King Síntesis organometálicas . Volumen 1 Compuestos de metales de transición; Academic Press: Nueva York, 1965. ISBN 0-444-42607-8.
  15. ↑ Harwood, Laurence M.; Moody, Christopher J. (1989). Química orgánica experimental: Principios y práctica (Edición ilustrada ). WileyBlackwell. págs. 154–155 . ISBN   978-0-632-02017-1.
  16. ↑ Barrett, Francis (1815). Las vidas de los filósofos alquimistas: con un catálogo crítico de libros de química oculta y una selección de los tratados más célebres sobre la teoría y la práctica del arte hermético . Macdonald and Son para Lackington, Allen, & Co. pág. 233 . 
  17. ↑ DiBernard , Barbara (1980). Alquimia y Finnegans Wake . SUNY Press. pág. 57. ISBN  978-0-87395-388-7.
  18. ↑ Ripley, George (1591). Compuesto de alquimia Archivado el 11 de mayo de 2023 en Wayback Machine .
  19. ↑ Gavezzotti, A. (1997). Aspectos teóricos y modelado computacional del estado sólido molecular . Chichester: Wiley and Sons.
  20. ↑ McDonagh, JL; Nath; De Ferrari, Luna; Van Mourik, Tanja; Mitchell, John BO (2014). " Uniendo la quimioinformática y la teoría química para predecir la solubilidad acuosa intrínseca de moléculas cristalinas similares a fármacos" . Journal of Chemical Information and Modeling . 54 (3): 844– 56. doi : 10.1021/ci4005805 . PMC 3965570. PMID 24564264 .  
  21. ↑ McDonagh, James; Palmer, David S.; Van Mourik, Tanja; Mitchell, John BO (17 de octubre de 2016). "¿Son predecibles las termodinámicas de sublimación de las moléculas orgánicas?" (PDF) . Journal of Chemical Information and Modeling . 56 (11): 2162– 2179. doi : 10.1021/acs.jcim.6b00033 . hdl : 10023/11874 . ISSN 1549-9596 . PMID 27749062 .  
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