Wprowadzenie
Niektóre związki są zdolne do sublimacji, czyli bezpośredniej zmiany fazy ze stałej w gazową. Stały dwutlenek węgla jest przykładem substancji, która łatwo sublimuje pod ciśnieniem atmosferycznym, ponieważ kawałek suchego lodu nie topi się, ale wydaje się "znikać", ponieważ zamienia się bezpośrednio w gazowy dwutlenek węgla. Sublimacja jest procesem analogicznym do wrzenia, ponieważ zachodzi, gdy ciśnienie pary związku jest równe przyłożonemu ciśnieniu (często ciśnieniu atmosferycznemu). Różnica polega na tym, że sublimacja obejmuje ciśnienie pary ciała stałego zamiast cieczy. Większość ciał stałych nie ma znaczącego ciśnienia pary w łatwo dostępnych temperaturach i z tego powodu zdolność do sublimacji jest rzadkością. Związki, które są zdolne do sublimacji, to zwykle te o słabych siłach międzycząsteczkowych w stanie stałym. Należą do nich związki o symetrycznej lub sferycznej strukturze. Poniżej przedstawiono przykłady związków, które mogą być sublimowane: DMT; 4-hydroksymaślan magnezu; TMA i tak dalej.
Metoda ta jest stosowana do oczyszczania substancji. Zalety tych procesów obejmują stosunkowo wysoki współczynnik separacji równowagowej; możliwość, w przypadku stosowania mieszanin gazowych, wykluczenia parowania rozpuszczalników (w przeciwieństwie do absorpcji i rektyfikacji); niższą temperaturę pracy niż podczas destylacji; łatwość kontroli nad procesem powlekania; możliwość natychmiastowego uzyskania produktów docelowych w postaci handlowej (zdyspergowane cząstki, monokryształy, filmy stałe), materiałów o wysokiej czystości, kompozycji składników nietopliwych (wiskery z niemetali w metalicznej matrycy), cienkich i ultradrobnych proszków metali, ich tlenków.
Metoda ta jest stosowana do oczyszczania substancji. Zalety tych procesów obejmują stosunkowo wysoki współczynnik separacji równowagowej; możliwość, w przypadku stosowania mieszanin gazowych, wykluczenia parowania rozpuszczalników (w przeciwieństwie do absorpcji i rektyfikacji); niższą temperaturę pracy niż podczas destylacji; łatwość kontroli nad procesem powlekania; możliwość natychmiastowego uzyskania produktów docelowych w postaci handlowej (zdyspergowane cząstki, monokryształy, filmy stałe), materiałów o wysokiej czystości, kompozycji składników nietopliwych (wiskery z niemetali w metalicznej matrycy), cienkich i ultradrobnych proszków metali, ich tlenków.
Związki, które można sublimować próżniowo
Ponieważ stosunkowo niewiele ciał stałych jest zdolnych do sublimacji, proces ten może być doskonałą metodą oczyszczania, gdy lotne ciało stałe jest zanieczyszczone nielotnymi zanieczyszczeniami. Zanieczyszczone ciało stałe jest podgrzewane na dnie naczynia w pobliżu zimnej powierzchni, zwanej "zimnym palcem" (rys. 1). Gdy lotne ciało stałe sublimuje, osadza się na powierzchni zimnego palca (gdzie można je później odzyskać), a tym samym jest oddzielane od nielotnej substancji pozostawionej w naczyniu. Proces ten nie jest jednak szczególnie skuteczny w oddzielaniu od siebie lotnych substancji stałych.
Spośród ciał stałych o znacznym ciśnieniu pary w temperaturze pokojowej, wiele nadal wymaga dość wysokich temperatur do aktywnej sublimacji (gdy ich ciśnienie pary jest równe ciśnieniu atmosferycznemu wynoszącemu prawie 760 mm Hg). Jeśli te ciała stałe zostaną podgrzane do temperatury sublimacji pod ciśnieniem atmosferycznym, niektóre z nich zwęglą się i rozpadną podczas tego procesu. Z tego powodu bardzo często przeprowadza się sublimację pod zmniejszonym ciśnieniem (sublimacja próżniowa). Analogicznie do destylacji próżniowej, w której ciecz wrze, gdy jej ciśnienie pary jest równe zredukowanemu ciśnieniu w aparacie, w sublimacji próżniowej ciało stałe sublimuje, gdy jego ciśnienie pary jest równe zredukowanemu ciśnieniu w aparacie. W destylacji próżniowej obniżenie ciśnienia umożliwia wrzenie cieczy w niższej temperaturze. Podobnie, zmniejszenie ciśnienia w sublimacji próżniowej pozwala na sublimację ciał stałych w niższej temperaturze, która pozwala uniknąć rozkładu.
Procedury sublimacji krok po kroku
Pod ciśnieniem atmosferycznym
Sublimacja przedstawiona w tej sekcji pokazuje oczyszczanie 0,29 g ferrocenu, który wyrósł w postaci długich igieł na dnie i górze szalek Petriego (odzysk 90%).1. Rozłóż surową, suchą substancję stałą przeznaczoną do sublimacji cienką warstwą na "dolnej" szalce Petriego (rys. 2 a). Jeśli jest grudkowata, najpierw rozgnieść ją moździerzem i tłuczkiem. Określić pustą masę górnej płytki Petriego. Ważne jest, aby oczyszczane ciało stałe było suche: jeśli próbka jest mokra od rozpuszczalnika, podczas sublimacji na górnej płytce Petriego może dojść do kondensacji. Na początkowych etapach sublimacji niewielkie ilości kondensatu można zetrzeć z górnej płytki Petriego ręcznikiem papierowym. Zbyt duża kondensacja może jednak spowodować wymycie kryształów z górnej szalki.
2. Przykryj dolną szalkę Petriego górną szalką i umieść ją na drucianej siatce na płycie grzejnej w wyciągu (rys. 2 b) ustawionej na odpowiednią temperaturę (w zależności od punktu sublimacji związku będącego przedmiotem zainteresowania, być może średnio niską). Siatka druciana pomaga równomiernie rozpraszać ciepło w naczyniu i minimalizuje zwęglanie.
3. Umieść dużą zlewkę o pojemności 600 ml wypełnioną lodowatą wodą na szalce Petriego (rys. 2 c).
2. Przykryj dolną szalkę Petriego górną szalką i umieść ją na drucianej siatce na płycie grzejnej w wyciągu (rys. 2 b) ustawionej na odpowiednią temperaturę (w zależności od punktu sublimacji związku będącego przedmiotem zainteresowania, być może średnio niską). Siatka druciana pomaga równomiernie rozpraszać ciepło w naczyniu i minimalizuje zwęglanie.
3. Umieść dużą zlewkę o pojemności 600 ml wypełnioną lodowatą wodą na szalce Petriego (rys. 2 c).
4. Z czasem próbka sublimuje i gromadzi się na górnej szalce Petriego (Rys. 3). Monitoruj sublimację, ponieważ związki mogą się zwęglać podczas procesu (jeśli zaczną czernieć, zmniejsz temperaturę). Kontynuować sublimację do momentu, gdy na dolnej szalce Petriego pozostanie niewiele (lub wcale) substancji stałych. Bardzo często kryształy rosną również wzdłuż boków dolnej szalki.
5. Delikatnie zdejmij szalki Petriego z płyty grzejnej, używając bawełnianych rękawiczek (rys. 4 a) lub silikonowej osłony na gorące dłonie. Potrząsanie szalkami spowoduje, że sublimowane kryształy spadną z górnej szalki Petriego.
Uwaga dotycząca bezpieczeństwa: Pozwól, aby obie szalki ostygły w nienaruszonym stanie na płytce ceramicznej w wyciągu (rys. 4 b). Nie zdejmuj od razu górnej szalki Petriego, ponieważ mogą wydostać się szkodliwe opary.
6. Kryształy na górnej szalce Petriego są oczyszczone i powinny zostać zachowane (a ich masa powinna zostać określona). Czasami materiał na dolnej szalce również może zostać zachowany, jeśli wydaje się krystaliczny (co oznacza, że przeszedł proces sublimacji) i nie wydaje się zanieczyszczony węglem (rys. 4 c).
5. Delikatnie zdejmij szalki Petriego z płyty grzejnej, używając bawełnianych rękawiczek (rys. 4 a) lub silikonowej osłony na gorące dłonie. Potrząsanie szalkami spowoduje, że sublimowane kryształy spadną z górnej szalki Petriego.
Uwaga dotycząca bezpieczeństwa: Pozwól, aby obie szalki ostygły w nienaruszonym stanie na płytce ceramicznej w wyciągu (rys. 4 b). Nie zdejmuj od razu górnej szalki Petriego, ponieważ mogą wydostać się szkodliwe opary.
6. Kryształy na górnej szalce Petriego są oczyszczone i powinny zostać zachowane (a ich masa powinna zostać określona). Czasami materiał na dolnej szalce również może zostać zachowany, jeśli wydaje się krystaliczny (co oznacza, że przeszedł proces sublimacji) i nie wydaje się zanieczyszczony węglem (rys. 4 c).
Pod zmniejszonym ciśnieniem (sublimacja próżniowa)
Sublimacjaw tej sekcji pokazuje oczyszczanie kamfory w dwóch skalach: 2,28 g (duża skala, odzysk 77%) i około 0,2 g (mała skala).
1. Jeśli substancja stała przeznaczona do sublimacji jest grudkowata, należy ją najpierw zmiażdżyć za pomocą moździerza i tłuczka (rys. 5 a). Następnie umieść surowe, suche ciało stałe na dnie aparatu do sublimacji (rys. 5 b). Ważne jest, aby ciało stałe było suche: jeśli próbka jest mokra od rozpuszczalnika, podczas sublimacji na zimnym palcu może dojść do kondensacji. Zbyt duża kondensacja może zmyć kryształy z zimnego palca.
2. Przymocuj aparat do statywu pierścieniowego lub kratownicy (rys. 5 c i d). W przypadku małych skal należy podeprzeć aparat za pomocą platformy (rys. 5 d). Duży sublimator pokazano na Rys. 5 c.
3. Lekko nasmaruj złącze łączące dwa kawałki szkła sublimacyjnego. Smar można łatwo nałożyć za pomocą strzykawki pełnej smaru. Jeśli używasz szkła szlifowanego, lekko nasmaruj złącze w pobliżu końca, który nie będzie w kontakcie z próbką (rys. 5 d).
4. Włóż górną część aparatu do sublimacji (zimny palec) i skręć ze sobą dwa kawałki szkła, aby rozprowadzić smar w złączu. W przypadku korzystania ze szkła szlifowanego smar powinien spowodować, że dolna połowa złącza stanie się przezroczysta na całym obwodzie (rys. 6 a). Jeśli całe złącze stanie się przezroczyste, użyto zbyt dużo smaru i należy go zetrzeć.
5. Użyj grubościennej gumowej rurki (przezroczysty wąż na rys. 6 a), aby podłączyć urządzenie do źródła podciśnienia (linia próżniowa lub aspirator wody). Zastosuj podciśnienie. Zestaw nie powinien syczeć lub w systemie występuje nieszczelność.
6. Przygotuj zimny palec.
5. Użyj grubościennej gumowej rurki (przezroczysty wąż na rys. 6 a), aby podłączyć urządzenie do źródła podciśnienia (linia próżniowa lub aspirator wody). Zastosuj podciśnienie. Zestaw nie powinien syczeć lub w systemie występuje nieszczelność.
6. Przygotuj zimny palec.
a) Jeśli zimny palec ma skraplacz, podłącz węże wodne w taki sposób, aby dolne ramię łączyło się z króćcem wody, a górne ramię odprowadzało wodę do zlewu (brązowe węże na rys. 6 a). Rozpocznijcyrkulację wody przez skraplacz.
b) Jeśli zimny palec jest pustą rurką, wypełnij go po brzegi lodem, a następnie wlej tyle wody, aby wypełnić palec do około trzech czwartych (rys. 6 b). Wniektórych przypadkach zimny palec można wypełnić suchym lodem i acetonem.
c) Właściwą techniką jest zastosowanie próżni przed schłodzeniem palca, aby zapobiec kondensacji wody, która mogłaby zmyć kryształy z zimnego palca.
7. Podgrzać ciało stałe za pomocą opalarki (rys. 6 c) lub palnika Bunsena, zaczynając powoli, wykonując ruchy w przód i w tył, przy niskiej temperaturze. Nie zaleca się stosowania kąpieli piaskowej lub płaszcza grzewczego do sublimacji, ponieważ ogrzewanie jest często zbyt wolne i może kierować ciepło tylko na dno urządzenia, a nie na boki. Jeśli sublimacja nie rozpocznie się w ciągu kilku minut, należy zwiększyć szybkość ogrzewania.
8. Po krótkim czasie na zimnym palcu powinna zacząć osadzać się substancja stała. Niewątpliwie będzie się ona również osadzać na zewnętrznej stronie szklanego naczynia (rys. 6 d). Substancję stałą można odciągnąć od zewnętrznej strony naczyniai skierować w stronę zimnego palca, okresowo machając opalarką lub palnikiem po bokach szkła.
8. Po krótkim czasie na zimnym palcu powinna zacząć osadzać się substancja stała. Niewątpliwie będzie się ona również osadzać na zewnętrznej stronie szklanego naczynia (rys. 6 d). Substancję stałą można odciągnąć od zewnętrznej strony naczyniai skierować w stronę zimnego palca, okresowo machając opalarką lub palnikiem po bokach szkła.
9. Kontynuować sublimację, aż cała substancja lotna zostanie przeniesiona z dolnej części naczynia szklanego na zimny palec (Rys. 7). Jeśli związek zacznie ciemnieć, zmniejsz szybkość ogrzewania, aby zapobiec rozkładowi.
10. Usunąćchłodziwo z zimnego palca.
10. Usunąćchłodziwo z zimnego palca.
a)Jeśli użyto skraplacza, należy wyłączyć cyrkulację wody i wyjąć węże wodne z urządzenia (ostrożnie, nie robiąc dużego bałaganu).
b) Jeśli użyto chłodziwa w postaci wody z lodem, w miarę możliwości usuń lód i usuń wodę za pomocą pipety (lub w przypadku dużych skal za pomocą pipety do indyków, rys. 7a).
11. Poczekaj, aż system osiągnie temperaturę pokojową.
12. Delikatnie przywróć ciśnienie powietrza w aparacie (rys. 7 b), zwracając uwagę, że gwałtowne otwarcie systemu spowoduje gwałtowne przedostanie się powietrza do aparatu i prawdopodobnie spowoduje oderwanie się kryształów od zimnego palca.
13. Delikatnie wyjmij opróżniony zimny palec z aparatu i zeskrob sublimowane kryształy na szkiełko zegarkowe (rys. 7 c). Alternatywnie, przepłucz kryształy z zimnego palca rozpuszczalnikiem przez lejek do kolby okrągłodennej (Rys.7 d), aby później usunąć rozpuszczalnik za pomocą wyparki obrotowej.
13. Delikatnie wyjmij opróżniony zimny palec z aparatu i zeskrob sublimowane kryształy na szkiełko zegarkowe (rys. 7 c). Alternatywnie, przepłucz kryształy z zimnego palca rozpuszczalnikiem przez lejek do kolby okrągłodennej (Rys.7 d), aby później usunąć rozpuszczalnik za pomocą wyparki obrotowej.
Last edited by a moderator: