La sublimación es la transición de una sustancia directamente del estado sólido al gaseoso , sin pasar por el estado líquido . [1] La forma verbal de sublimación es sublime , o menos preferentemente, 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, ver más abajo) se llama punto crítico de sublimación, o simplemente punto de sublimación . Ejemplos notables incluyen la sublimación de 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 que una sustancia pasa directamente de una fase gaseosa a una sólida, sin pasar por el estado líquido. [4]
Todos los sólidos son sublimes, aunque los más sublimes se encuentran en proporciones extremadamente bajas que son apenas detectables. 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, cualquier sólido puede sublimar si su presión de vapor es mayor que la presión parcial circundante de la misma sustancia y, en algunos casos, se sublima a un ritmo apreciable (por ejemplo, agua helada justo por debajo de 0 °C).
Para algunas sustancias, como el carbono y el arsénico , la sublimación desde el estado sólido es mucho más alcanzable que la evaporación desde el estado líquido y es 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 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, 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 .
Si bien la definición de sublimación es simple, a menudo existe confusión sobre lo que se considera sublimación.
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 en la transición de sólido a gas, que en ambos casos siempre se denomina sublimación.
Para mayor claridad es necesario distinguir entre los dos casos correspondientes. Con referencia a un diagrama de fases , la sublimación que se produce a la izquierda del límite sólido-gas, del punto triple o del límite sólido-líquido (correspondiente a la evaporación en la vaporización) puede denominarse sublimación gradual ; y la sustancia se sublima gradualmente , sin importar el ritmo. La sublimación que se produce en el límite sólido-gas (punto crítico de sublimación) (correspondiente a la ebullición en la vaporización) puede denominarse sublimación rápida , y la sustancia se sublima rápidamente . Tenga en cuenta que tanto las palabras "gradual" como "rápido" han adquirido significados especiales en dicho contexto y ya no describen la tasa de sublimación.
El término sublimación se refiere específicamente a un cambio físico de estado y no se utiliza para describir la transformación de un sólido en gas en una reacción química. Por ejemplo, la disociación al calentar 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 una sublimación sino una reacción química con el oxígeno.
La sublimación se utiliza históricamente como término genérico para describir una transición de fase de dos pasos: una transición de sólido a gas (sublimación en una definición más precisa) seguida de una transición de gas a sólido ( deposición ). [5] [6] (Ver más abajo)
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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 la temperatura de -78,5 °C, a presión atmosférica ), mientras que su fusión en CO 2 líquido puede ocurrir a lo largo el límite sólido-líquido ( punto de fusión ) a presiones y temperaturas superiores al punto triple (es decir, 5,1 atm, −56,6 °C).
La nieve y el hielo se subliman gradualmente a temperaturas por debajo del límite sólido-líquido (punto de fusión) (generalmente 0 °C) y a presiones parciales por debajo del punto triple de presión de 612 Pa (0,00604 atm), a un ritmo bajo. [7] En la liofilización , el material a deshidratar se congela y se deja que su agua se sublime bajo presión reducida o vacío. La pérdida de nieve de un campo nevado durante una ola de frío suele deberse a que la luz del sol actúa directamente sobre las capas superiores de la nieve. La sublimación del hielo es un factor del desgaste erosivo del hielo glaciar , también llamado ablación en glaciología . [ cita necesaria ]
La 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 sólo por fuerzas intermoleculares de van der Waals . La naftaleno es un sólido que se sublima gradualmente a temperatura y presión estándar [8] , a un ritmo elevado, con el punto crítico de sublimación alrededor de 80 °C o 176 °F. [9] A baja temperatura, su presión de vapor es lo suficientemente alta, 1 mmHg a 53 °C, [10] para hacer que la forma sólida de naftaleno se evapore y se convierta en gas. En superficies frías, los vapores de naftaleno se solidificarán para formar cristales en forma de agujas.
El yodo se sublima gradualmente y produce vapores visibles al calentarlo suavemente a una temperatura atmosférica estándar . Es posible obtener yodo líquido a presión atmosférica controlando la temperatura justo entre el punto de fusión y el punto de ebullición del yodo. En ciencia forense , el vapor de yodo puede revelar huellas dactilares latentes en el papel. [11]
El arsénico puede sublimar fácilmente a altas temperaturas.
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 . [ cita necesaria ]
La sublimación es una técnica utilizada por los químicos para purificar compuestos . Normalmente se coloca un sólido en un aparato de sublimación y se calienta al vacío . Bajo esta presión reducida , el sólido se volatiliza y condensa como un compuesto purificado sobre 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 puede recogerse de la superficie de enfriamiento. [12] [13] 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 las temperaturas a lo largo del tubo, el operador puede controlar las zonas de recondensación, con compuestos muy volátiles que se bombean completamente fuera del sistema (o son capturados por una trampa fría separada ), compuestos moderadamente volátiles que se vuelven a condensar a lo largo del tubo. tubo según sus diferentes volatilidades, y compuestos no volátiles que quedan en el hot end. La sublimación al vacío de este tipo es también el método elegido para la purificación de compuestos orgánicos para su uso en la industria electrónica orgánica , donde se necesitan purezas muy altas (a menudo > 99,99%) para satisfacer los estándares de la electrónica de consumo y otras aplicaciones. [ cita necesaria ]
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 convertirla en vapor, luego se acumula inmediatamente como sedimento en la parte superior y el cuello del medio de calentamiento (generalmente una retorta o alambique ), pero también se puede usar para describir otros similares. transiciones fuera del laboratorio. Fue mencionado por autores alquímicos como Basil Valentine y George Ripley , y en el Rosarium philosophorum , como un proceso necesario para la finalización de la obra magna . Aquí, la palabra sublimación se 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 triomfal de l'antimoine (Carro triunfal del antimonio, publicado en 1646) hizo una comparación con los espagíricos en los que se puede utilizar una sublimación vegetal para separar las bebidas espirituosas del vino y la cerveza. [14] Ripley utilizó 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. [15] Escribe: [16]
Y las sublimaciones las hacemos por tres causas.
La primera causa es hacer espiritual el cuerpo.
La segunda es que el espíritu sea corpóreo
y llegue a ser fijo con él y consustancial.
La tercera causa es la de su asqueroso original.
Puede limpiarse y
disminuir su salinidad sulfurosa, que es infecciosa.
La entalpía de sublimación se ha predicho comúnmente utilizando el teorema de equipartición . Si se supone que la energía de la red es aproximadamente la mitad de la energía de empaquetamiento, [ se necesita aclaración ] 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 1RT. Entonces es necesario aplicar correcciones adicionales para las vibraciones , rotaciones y traslación. Según el teorema de equipartición, la rotación y la traslación gaseosas contribuyen con 1,5 RT cada una al estado final, por lo tanto, una corrección de +3 RT. Las vibraciones y rotaciones cristalinas contribuyen con 3RT cada una al estado inicial, por lo tanto, −6RT. Sumando las correcciones RT; −6RT + 3RT + RT = −2RT. [17] 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. [18] [19]
La impresión por sublimación es una tecnología de impresión digital que utiliza ilustraciones a todo color que funcionan con sustratos recubiertos de poliéster y polímero. También conocido como sublimación digital, el proceso se usa comúnmente para decorar prendas, letreros y pancartas, así como artículos novedosos como fundas para teléfonos celulares, placas, tazas de café y otros artículos con superficies aptas para 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. [ cita necesaria ]
En la impresión por sublimación, los tintes de sublimación únicos se transfieren a hojas de papel de "transferencia" mediante 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 por sublimación, se coloca en una prensa térmica junto con el sustrato a sublimar. [ cita necesaria ]
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 obtener un color óptimo. [ cita necesaria ]
El resultado del proceso de sublimación es una impresión casi permanente, de alta resolución y a todo color. 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 sobre prendas), las impresiones no se agrietarán, desvanecerán ni se desprenderán del sustrato en condiciones normales. [ cita necesaria ]
Medios relacionados con la sublimación en Wikimedia Commons