فرادرس
تصعید — به زبان ساده
در مقاله «حالت‌های ماده -- به زبان ساده» با تغییر حالت یا تغییر (گذار) فاز ماده آشنا شدیم و دیدیم که تغییر حالت جامد به گاز را تصعید (Sublimation) می‌گویند.
در این مقاله در نظر داریم تا با زبانی ساده بیشتر به مقوله تصعید بپردازیم. با ما در ادامه این مطلب همراه باشید.
تصعید (Sublimation)
همان‌طور که در بالا بیان شد، به تغییر حالت (فاز) یک ماده جامد به گاز، تصعید می‌گویند. توجه داشته باشید که پدیده تصعید به صورت مستقیم رخ می‌دهد. به عبارت دیگر، ماده جامد بدون آنکه به فاز مایع وارد شود، یکباره به گاز تبدیل می‌شود.
پدیده یا فرآیند تصعید، فرآیندی گرماگیر (Endothermic) بوده که در فشاری زیر نقطه سه‌گانه در نمودار فاز (phase diagram) رخ می‌دهد. به عبارت دیگر، اگر به ماده جامدی که در فشار زیر فشار نقطه سه‌گانه قرار داشته باشد گرما بدهیم، از فاز جامد وارد فاز (بخار) گاز می‌شود که این فرآیند به تصعید موسوم است. به بیان ساده، نقطه سه‌گانه، دما و فشاری است که در آن سه فاز اصلی ماده (جامد، مایع و گاز) با یکدیگر در تعادل ترمودینامیکی باشند.
تعادل ترمودینامیکی نیز حالتی است که سیستم در حال تعادل گرمایی، تعادل شیمیایی و تعادل مکانیکی باشد. جهت آشنایی بیشتر با نقطه سه‌گانه، به مقاله «نقطه سه گانه (Triple Point) — به زبان ساده» مراجعه فرمایید.
لازم به ذکر است که روند معکوس فرآیند تصعید، یعنی وارد شدن فاز گاز به صورت مستقیم، به فاز جامد، چگالش (Deposition or Desublimation) نام دارد. جهت یادآوری، وارد شدن فاز مایع به گاز، تبخیر (Evaporation) و وارد شدن فاز گاز به مایع، میعان (Condensation) نام دارد. همچنین وارد شدن فاز جامد به مایع، ذوب (Melting) و وارد شدن فاز مایع به جامد، انجماد (Freezing) نامیده می‌شود (شکل 3).
با توجه به نمودار فاز و نقطه سه‌گانه مواد، در فشار‌های عادی (سطح دریا : $$10^{5}\ Pa$$) بیشتر ترکیبات و عناصر شیمیایی دارای حالت‌های مختلف در دماهای مختلف هستند. به طور مثال آب، در فشار سطح دریا، بسته به دمایش می‌تواند سه حالت (فاز) جامد (یخ)، مایع و گاز وجود داشته باشد. در این مورد، انتقال فاز جامد به گاز (تصعید)، به صورت مستقیم امکان‌پذیر نبوده و برای تبدیل حالت جامد به گاز، نیاز است تا ماده جامد به فاز میانی مایع وارد شده و از فاز مایع تبخیر شود.
توجه داشته باشید که در اینجا فشار جزئی وارد شده به ماده مد نظر است و نه فشار کل سیستم. همین امر باعث می‌شود مواد جامد، دارای مقدار محسوسی بخار (گاز) باشند. به طور مثال اگر دقت کرده باشید، تکه یخ‌های کوچکی که در فریزر یخچال خانه خود نگه‌داری می‌کنید، پس از مدتی، کمی کوچک‌تر می‌شوند. در اینجا فشار جزئی، فشاری است که به هر تکه یخ وارد می‌شود و نه فشار کل محفظه فریزر.
برای برخی از مواد نظیر کربن (carbon) و آرسنیک (arsenic)، فرآیند تصعید بسیار آسان‌تر از تبخیر از فاز مایع رخ می‌دهد. دلیل این امر این است که فشار نقطه سه‌گانه این مواد بسیار بالا بوده که در نتیجه وارد شدن به فاز مایع برای این دست از مواد، دشوار است.
نکته بسیار مهمی که باید به آن توجه کنید، این است که پدیده یا فرآیند تصعید تنها به تغییر حالت فیزیکی ماده اشاره دارد و برای توصیف واکنش شیمیایی که در آن ماده جامد به گاز تبدیل می‌شود، به کار نمی‌رود. دقت داشته باشید که در تغییر حالت فیزیکی (شکل 3) ماهیت مواد ثابت می‌ماند. به طور مثال، آمونیوم کلرید (ammonium chloride) جامد تحت گرما تبدیل به هیدروژن کلرید (hydrogen chloride) و آمونیاک (ammonia) می‌شود. این تبدیل یا فرآیند، واکنشی شیمیایی بوده و نمی‌توان برای آن اصطلاح تصعید را به کار برد.
پیش‌تر بیان کردیم که تصعید (جامد به گاز)، فرآیندی گرماگیر است. درواقع مولکول‌های سطحی جهت شکستن پیوند خود با سایر مولکول‌های همسایه، نیاز به کمی انرژی دارند. با دریافت این انرژی، پیوند شکسته شده و مولکول‌ها آزاد (وارد فاز بخار یا گاز) می‌شوند. این مقدار انرژی که به گرمای تصعید (Heat of Sublimation) یا آنتالپی (Enthalpy of Sublimation) تصعید معروف است، برابر با حاصل جمع آنتالپی (گرمای) ذوب و آنتالپی تبخیر است.
مثال‌هایی از فرآیند تصعید
در این بخش درنظر داریم تا شما را با چند فرآیند تصعید معروف آشنا کنیم.
کربن دی‌اکسید
تصعید کربن دی‌اکسید (Carbon dioxide) جامد که به یخ خشک (Dry ice) نیز موسوم است، در فشار کمتر از 518 کیلو پاسکال و دمای 216 کلوین رخ می‌دهد.
به عبارت دیگر نقطه سه‌گانه یخ خشک در فشار و دمای مذکور است. در دما و فشار بالای نقطه سه‌گانه، ماده مذکور وارد فاز مایع می‌شود.
آب
مثالی که پیش‌تر در خصوص قطعه‌های یخ درون فریزر بیان کردیم، فرآیند تصعید یخ (جامد به بخار) را بیان می‌کند. همان‌طور که می‌دانید نقطه سه‌گانه آب، فشار حدود 611 پاسکال و دمای صفر درجه سلسیوس است (شکل 7).
نفتالین
نفتالین یا نفتالن (Naphthalene) ترکیبی آلی است که معمولاً در سموم دفع حشرات استفاده می‌شود. تصعید ماده مذکور به دلیل اینکه از مولکول‌های غیرقطبی ساخته شده و نیروی بین این مولکول‌ها از نوع ضعیف واندروالس است، به آسانی انجام می‌گیرد.
فرآیند تصعید نفتالین در دمای حدود 80 درجه سلسیوس (فشار اتمسفر) است که در دماهای پایین تر از مقدار مذکور نیز، شاهد تغییر فاز نفتالین جامد به گاز هستیم. به طور مثال فشار بخار نفتالین در دمای حدود 53 درجه سلسیوس حدود ۱ میلی‌متر جیوه است. همچنین در سطوح خنک، اگر فشار و دما زیر نقطه سه‌گانه باشند، طی فرآیندی هم‌دما با افزایش فشار، نفتالین از فاز گاز به فاز جامد (چگالش) وارد شده که به صورت کریستال‌هایی سوزنی شکل کوچک در می‌آید.
یکی دیگر از مثال‌های خوب برای فرآیند تصعید، بوگیر حالت جامد توالت است که اگر دقت کرده باشید به مرور زمان از مقدارش کاسته می‌شود. نقطه سه‌گانه مواد تشکیل دهنده بوگیر، بالای فشار و دمای محیط خانه است.
تصفیه به وسیله تصعید
تصعید یکی از روش‌هایی است که شیمیدانان ا جهت تصفیه ترکیبات مختلف از آن استفاده می‌کنند. ترکیبات مختلف در محفظه خلأ (فشار خیلی پایین) تحت گرما قرار می‌گیرند. توجه داشته باشید که دما زیر دمای نقطه سه‌گانه است. در این صورت مولکول‌های سطحی مواد رفته رفته بخار می‌شوند که توسط جمع‌کننده‌هایی درون دستگاه، جمع‌آ‌وری می‌شوند.
در صورتی که مطلب بالا برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:
- مجموعه آموزش‌های فیزیک
- آموزش شیمی عمومی
- مجموعه آموزش‌های شیمی
- قانون صفرم ترمودینامیک
- فرآیند‌های ترمودینامیکی -- به زبان ساده
- تابش ترمزی و اشعه X -- به زبان ساده
^^
درود بر شما.
مقاله خیلی قابل فهم و علمی بود.
خیلی خوب?