Sublimácia (pevná látka)

Sublimácia je fázová premena (zmena skupenstva) látky z pevnej látky (pevného skupenstva) priamo na plyn (plynné skupenstvo) bez predchádzajúceho topenia, teda bez prechodu cez kvapalné skupenstvo. K sublimácii doôjde, ak tenzia pár nad pevnou látkou dosiahne hodnotu vonkajšieho tlaku pri teplote nižšej, ako je teplota topenia tejto látky.^[1] Teplota, pri ktorej nastane sublimácia sa nazýva sublimačný bod T_s, resp. teplota sublimácie.^[2] Lyofilizácia je technika sublimácie, ktorá vyyužíva nízky tlak a nízku teplotu.

Fázová premena plynnej látky na pevnú látku sa nazýva desublimácia. Pri desublimácii sa plyn mení priamo na pevnú látku bez kondenzácie.

Zvýšením tlaku nad látkou, ktorá za pri štandardnom tlaku sublimuje, je možné dokázať to, že sa táto látka pri zahrievaní najskôr roztopí (prejde z pevného skupenstva do kvapalného) a až pri ďalšom zvyšovaní teploty začne vrieť a prejde do plynného skupenstva.^[1] Zvyšovaním tlaku pôsobiaceho na pevný oxid uhličitý (suchý ľad) možno dosiahnuť jeho prechod do kvapalného skupenstva, vznikne kvapalný oxid uhličitý, ktoré je možné použiť na extrakciu látok ako napríklad kofeínu.

Opačne, vhodným znížením tlaku je možné sublimovať látky, ktoré sa za štandardného tlaku topia (voda, ľad, dimetylsulfoxid).^[1] V organickej chémii sa sublimácia (lyofilizácia) využíva na odstránenie vysokovrúcich rozpúšťadiel, ktorých oddestilovanie môže byť komplikované až nemožné (dimetylsulfoxid, dimetylformamid, N-metylpyrolidón, acetonitril, deuterované rozpúšťadlá, voda). Vzorka rozpustená v rozpúšťadle sa zmrazí pomocou suchého ľadu na - 78 °C a následne v hlbokom vákuu (pod 1 mbar) sa nechá prebiehať samotná sublimácia, ktorá sa ukončí, keď teplota banky, v ktorej prebiehala sublimácia dosiahne izbovú teplotu (v priebehu sublimácie je banka ochladzovaná sublimačnou entalpiou).^[3][4]

U väčšiny látok sa trojný bod nachádza pri nižšom tlaku, ako je atmosférický tlak, to znamená, že tieto látky za bežných laboratórnych podmienok (25 °C, 1 bar) nesublimujú, prechádzajú z pevného skupenstva do kvapalného.^[2]

Za normálneho tlaku sublimuje napr. oxid uhličitý, jód, chlorid ortuťnatý, naftalín, salmiak (chlorid amónny),^[1] antracén, gáfor, ferocén, oxid seleničitý,^[5] kyselina salicylová.^[2] Tieto látky je možné sublimovať za bežných laboratórnychpodmienok, pretože ich trojný bod sa nachádza pri vyššom tlaku, ako je atmosférický tlak, tieto látky nie je možné roztopiť na kvapalinu, nie je možné zmerať ich teplotu topenia.^[2] Dosiahnuť sublimáciu týchto látok je možné ich zahrievaním za normálneho tlaku, pričom sa dosiahne sublimačný bod T_s. Sublimáciu je možné využiť na čistenie týchto látok.^[2]

Či je látka schopná sublimácie pri danom tlaku (napríklad pri štandarnom atmosférickom tlaku) zistíme tak, že sa ju pokúsime roztopiť, pokiaľ prejde z pevného skupenstva do kvapalného, je pôsobiaci tlak príliš vysoký a sublimácia tejto látky pri tomto tlaku neprebieha. Z toho vyplýva, že nie je možné, aby látka pri rovnakom tlaku podliehala sublimácii aj topeniu, i.e. nie je možné merať teplotu topenia látok, ktoré pri danom tlaku sublimujú.^[5]

Za dostatočne nízkeho tlaku a teploty sublimujú všetky látky, preto sa vo vesmíre (kde je extrémne nízky tlak: vákuum a teplota blízka absolútnej nule) nevyskytuje veľmi často kvapalná fáza. Pri dostatočne nízkom tlaku môže sublimovať väčšina látok. Schopnosť látky sublimovať zistíme z jej fázového diagramu. Napr. voda sublimuje pri teplotách nižších ako 0,01 °C a tlaku pod 0,61 kPa. Z fázového diagramu je zrejmé, že znížením tlaku je možné dosiahnuť zníženie teploty sublimácie, sublimačného bodu T_s.^[2] Preto je vhodné niektoré látky čistiť aj sublimáciou za zníženého tlaku.^[2]

Sublimácia sa využíva pri čistení chemických látok. Používa sa na oddelenie sublimujúcich látok zo zmesí s nesublimujúcími nečistotami. Výsledný produkt po ochladení a opätovnej premene na pevné skupenstvo sa nazýva sublimát.

Sublimácia sa využíva na čistenie a delenie kryštalických sublimujúcich látok od neprchavých prímesí.

Lyofilizácia je metóda založená na sublimácii, ktorá sa využíva na prípravy suchých látok, ktoré sú citlivé na zvýšenú teplotu a preto ich nemožno inak zbaviť vysokovrúceho rozpúšťadla. Lyofilizácia využíva zmrazenie roztoku (zmesi) na nízku teplotu (pôsobením suchého ľadu na - 78 °C, prípadne na ešte nižšiu teplotu kvapalným dusíkom), pri ktorej sú všetky zložky zmesi v tuhom skupenstve. Následne sa vzorka umiestni do hlbokého vákua lyofilizátora vytvoreného olejovou vývevou.^[3] Ukončenie lyofilizácie kontrolujeme vizuálne - sublimačná entalpia je tak vysoká, že počas sublimácie sa vialka/banka stále ochladzuje a na jej vonkajšej časti sa tvorí námraza - lyofilizáciu ukončíme až vtedy, keď vialka/banka dosiahne teplotu miestnosti (nie je ďalej ochladzovaná sublimačnou entalpiou).^[3][4]

• Malé množstvo latky najľahšie presublimujeme medzi dvoma hodinovými sklami na azbestovej sieťke opatrným zahrievaním nad malým plameňom. Často je vhodnejšie sublimujúcu látku nasypať priamo na pieskový kúpeľ. Latka na spodnom hodinovom skle sa zahrievaním vyparuje a na vrchnom hodinovom skle prečistená kryštalizuje.
• Sublimujúcu látku možno zahrievať aj na pieskovom kúpeli v porcelánovej miske zakrytej lievikom s väčším priemerom. Stopka lievika sa upchá malým kúskom vaty.
• Väčšie množstvo latky sa zahrieva v kadičke položenej na azbestovej sieťke alebo na pieskovom kúpeli. Kadička je uzavretá bankou s okrúhlym dnom, naplnenou vodou. Otvor, ktorý vznikne medzi kadičkou a bankou, treba upchať kúskom vaty. Intenzívne a účinnejšie chladenie dosiahneme, ak banku naplnenú vodou uzavrieme korkovou zátkou s dvoma otvormi, do ktorých zavedieme dve sklené rúrky na nepretržitý prítok a odtok vody. Kryštály presublimovanej latky sa usadzujú na stenách banky.

Fyzikálny portál Chemický portál

• Termodynamika
• Skupenské teplo sublimácie
• Merné skupenské teplo sublimácie
• Fázová premena
• Lyofilizácia

1. ↑ ^{a b c d} VACÍK, Jiří; PROCHÁZKA, Karel. Obecná chemie. 2. vyd. Praha : Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy, 2017. ISBN 978-80-7444-050-2.
2. ↑ ^{a b c d e f g} KOTEK, Jan. Laboratórní technika. Praha : Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy, 2022. Dostupné online.
3. ↑ ^{a b c} KÁŠ, Jan; KODÍČEK, Milan; VALENTOVÁ, Olga. Laboratórní techniky biochemie. dotlač 1. vyd. Praha : VŠCHT, 2012. ISBN 978-80-7080-586-2.
4. ↑ ^{a b} NOVÁK, Josef. Fyzikální chemie Bakalářský kurz. DOTLAč 1. vyd. Praha : VŠCHT, 2018. ISBN 978-80-7080-559-6.
5. ↑ ^{a b} MAGDOLEN, Peter; MEČIAROVÁ, Mária; POLÁČKOVÁ, Viera. Praktikum z organickej chémie. 1. vyd. Bratislava : Univerzita Komenského v Bratislave, 2016. ISBN 978-80-223-3958-2.