SUBLIMATION: CONCEPT, PROCESSUS ET EXEMPLES - CHIMIE - 2025

La sublimation est un processus thermodynamique dans lequel un changement endothermique se produit directement d'un état solide à un gaz, sans formation préalable du liquide. Un exemple frappant de ce processus est celui de la glace sèche; Lorsqu'il est exposé au soleil ou immergé dans un liquide, il passe directement d'un état solide à un état gazeux.

Le comportement du solide dans des conditions normales est de chauffer et de produire une première goutte, où davantage de particules solides se dissolvent jusqu'à ce qu'elles fondent complètement. Pendant ce temps, en sublimation, on parle d'une «bulle», d'une vapeur progressive sans mouiller la surface qu'elle touche, mais se dépose ou cristallise immédiatement.

Exemple de sublimation d'un hypothétique solide orange. Source: Gabriel Bolívar.

Ce qui est décrit dans le paragraphe ci-dessus est représenté dans l'image ci-dessus. Supposons un mélange solide orange (à gauche), qui commence à augmenter son énergie en augmentant la température. Le composant rouge se sublime, pour se déposer ultérieurement au fond du récipient de réception, dont la température est plus basse du fait de la présence de glaçons dans son contenu.

Les triangles ou cristaux rouges se déposent grâce à la surface froide de ce récipient (à droite), qui absorbe leur température; Et même si cela ne s'affiche pas, la taille de vos glaçons devrait diminuer en raison de l'absorption de chaleur. Le solide restant a un composant jaune qui ne peut pas être sublimé dans les conditions du procédé.

Concept de sublimation

Processus

On a déjà dit que la sublimation est un changement d'état endothermique, car pour qu'elle se produise, il doit y avoir absorption de chaleur. Si le solide absorbe de la chaleur, son énergie augmentera, de sorte que ses particules vibreront également à des fréquences plus élevées.

Lorsque ces vibrations deviennent très fortes, elles finissent par affecter les interactions intermoléculaires (pas les liaisons covalentes); et par conséquent, tôt ou tard, les particules s'éloigneront les unes des autres, jusqu'à ce qu'elles parviennent à s'écouler et à se déplacer plus librement à travers les régions de l'espace.

Dans certains solides, les vibrations sont si fortes que certaines particules «jaillissent» de la structure au lieu de s'agglomérer en groupes mobiles qui définissent une gouttelette. Ces particules s'échappent et intègrent la première "bulle", qui viendrait plutôt former les premières vapeurs du solide sublimé.

On ne parle donc pas d'un point de fusion, mais d'un point de sublimation. Bien que les deux dépendent de la pression régnant sur le solide, le point de sublimation l'est davantage; par conséquent, sa température varie remarquablement avec les changements de pression (tout comme le point d'ébullition).

De la structure solide au désordre gazeux

En sublimation, on dit aussi qu'il y a une augmentation de l'entropie du système. Les états énergétiques des particules vont d'être limités par leurs positions fixes dans la structure solide, à s'homogénéiser dans leurs directions capricieuses et chaotiques dans l'état gazeux plus uniforme, où elles acquièrent finalement une énergie cinétique moyenne.

Diagramme de phase et point triple

Le point de sublimation dépend de la pression; Car autrement, les particules solides absorberaient la chaleur non pas pour se propager dans l'espace à l'extérieur du solide, mais pour former des gouttelettes. Il ne se sublimerait pas, mais fondrait ou fondrait, comme c'est le plus courant.

Plus la pression externe est élevée, moins la sublimation est probable, car le solide est forcé de fondre.

Mais quels solides sont sublimables et lesquels ne le sont pas? La réponse réside dans vos diagrammes de phase P vs T, comme celui illustré ci-dessous:

Diagramme de phase pour une substance hypothétique. Source: Gabriel Bolívar.

Il faut d'abord regarder le point triple et passer par la partie inférieure: celle qui sépare les états solide et gazeux. Notez que dans la région du solide, il doit y avoir une baisse de pression pour que la sublimation se produise (pas nécessairement à 1 atm, notre pression atmosphérique). A 1 atm, la substance hypothétique se sublimera à une température Ts exprimée en K.

Plus la section ou la courbe est longue et horizontale au-dessous du point triple, plus la capacité du solide à se sublimer à différentes températures est grande; mais s'il est bien en dessous de 1 atm, alors des vides élevés seront nécessaires pour réaliser la sublimation, de telle sorte que les pressions soient abaissées (0,0001 atm, par exemple).

termes

Si le point triple est des milliers de fois inférieur à la pression atmosphérique, le solide ne se sublimera jamais même avec l'ultravide (sans parler de sa susceptibilité à la décomposition par l'action de la chaleur).

Si ce n'est pas le cas, les sublimations sont effectuées en chauffant modérément, et en soumettant le solide à un vide pour que ses particules s'échappent plus facilement, sans qu'il soit nécessaire qu'elles absorbent autant de chaleur.

La sublimation devient très importante lorsqu'il s'agit notamment de solides avec une pression de vapeur élevée; c'est-à-dire la pression à l'intérieur, un reflet de l'efficacité de leurs interactions. Plus sa pression de vapeur est élevée, plus elle est parfumée et plus elle est sublimable.

Exemples

Purification des solides

L'image du solide orange et de sa composante rougeâtre sublimable est un exemple de ce que représente la sublimation en ce qui concerne la purification des solides. Les triangles rouges peuvent être re-sublimés au besoin jusqu'à ce qu'une grande pureté soit garantie.

Cette technique est principalement utilisée avec des solides parfumés. Par exemple: camphre, caféine, benjoin et menthol.

Parmi les autres solides qui peuvent être sublimés, nous avons: l'iode, la glace (à haute altitude), la théobromine (du chocolat), la saccharine, la morphine et d'autres médicaments, les bases azotées et l'anthracène.

Synthèse cristalline

Revenant aux triangles rouges, la sublimation offre une alternative à la cristallisation conventionnelle; Les cristaux ne seront plus synthétisés à partir d'une solution, mais par le dépôt le plus contrôlé possible de vapeurs sur une surface froide, où il peut commodément y avoir des germes cristallins pour favoriser une morphologie spécifique.

Dites, si vous avez des carrés rouges, la croissance des cristaux conservera cette géométrie et ils ne devraient pas devenir triangulaires. Les carrés rouges se développeront progressivement au fur et à mesure de la sublimation. Cependant, il s'agit d'un complexe complexe sur le plan opérationnel et moléculaire, dans lequel de nombreuses variables sont impliquées.

Exemples de cristaux synthétisés par sublimation: carbure de silicium (SiC), graphite, arsenic, sélénium, phosphore, nitrure d'aluminium (AlN), sulfure de cadmium (CdS), séléniure de zinc (ZnSe), iodure de mercure (HgI ₂), graphène, entre autres.

Notez que ce sont en réalité deux phénomènes entrelacés: la sublimation progressive et le dépôt (ou sublimation inverse); la vapeur migre du solide vers des régions ou des surfaces plus froides, se déposant finalement sous forme de cristaux.

Thèmes d'intérêt

Exemples de sublimation.

Références

1. Whitten, Davis, Peck et Stanley. (2008). Chimie (8e éd.). Apprentissage CENGAGE.
2. Wikipédia. (2019). Sublimation (transition de phase). Récupéré de: en.wikipedia.org
3. Jones, Andrew Zimmerman. (27 janvier 2019). Sublimation. Récupéré de: thinkco.com
4. Sheila Morrissey. (2019). Qu'est-ce que la sublimation en chimie? - Définition, processus et exemples. Étude. Récupéré de: study.com
5. Elsevier BV (2019). Méthode de sublimation. ScienceDirect. Récupéré de: sciencedirect.com