XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Сублимация и десублимация веществ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Смирнов Е.А. 1

---

1МАОУ "Гимназия №17" г. Пермь

Ярусова И.В. 1

---

1МАОУ "Гимназия №17" г. Пермь

Работа в формате PDF

283.6 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Гипотезой данного исследования является предположение, что процессы сублимации и десублимации зависят от физических параметров окружающей среды и самого вещества.

Целью моего исследования является изучение сублимации и десублимации веществ.

Для достижения поставленной цели и доказательства гипотезы были определены следующие задачи:

1. Собрать, обобщить и систематизировать имеющийся в литературе материал по теме исследования;

2. Опытным путем изучить процесс сублимации и десублимации на примере системы «кристаллы йода- газ».

3. Опытным путем изучить влияние температуры окружающей среды на скорость сублимирования «сухого льда».

4. Опытным путем изучить зависимость скорости сублимации от площади сублимируемого вещества (на примере твердого углекислого газа).

5. Обобщить полученные данные и сделать выводы.

Структура исследовательской работы включает в себя введение, две главы, заключение и список литературы.

Глава 1. Теоретические основы

1.1. Понятие сублимации

СУБЛИМАЦИЯ (В ФИЗИКЕ)-это(позднелат. sublimatio - возвышение, вознесение, от лат. sublimo - высоко поднимаю, возношу), возгонка, переход вещества из кристаллического состояния непосредственно (без плавления) в газообразное; происходит с поглощением теплоты.

Этот процесс представляет собой эндотермический фазовый переход, происходящий при температуре и давлении ниже тройной точки вещества.

Тройная точка — это точка, в которой давление и температура вещества таковы, что оно может существовать во всех трех состояниях вещества одновременно. Тройная точка является характерной точкой вещества.

Факторы, влияющие на сублимацию:

Температура: Температура является одним из наиболее важных факторов, влияющих на сублимацию. При повышении температуры молекулы твердого вещества набирают энергию и движутся быстрее, что облегчает переход в газообразное состояние. При более низких температурах сублимация будет происходить медленнее или может вообще не происходить.

Давление: Давление также играет решающую роль в сублимации. При низком давлении молекулы на поверхности твердого тела могут легче перейти в газообразное состояние. При более высоких давлениях молекулам труднее уйти, и сублимация может быть медленнее или вообще не происходить.

Поверхностная площадь: Чем больше площадь поверхности, тем больше молекул подвергается воздействию окружающей среды, что облегчает переход в газообразное состояние. Поэтому сублимация может происходить быстрее в веществах с большей площадью поверхности.

Относительная влажность окружающей среды может влиять на сублимацию. В условиях низкой влажности сублимация может происходить быстрее, поскольку в воздухе меньше молекул воды, конкурирующих с сублимирующими молекулами. Во влажной среде сублимация может происходить медленнее из-за присутствия большего количества молекул воды в воздухе.

Чистота вещества: Наличие примесей в твердом веществе может повлиять на скорость сублимации.

Условия окружающей среды: Такие факторы, как ветер и солнечная радиация, также могут влиять на сублимацию. Ветер может ускорить сублимацию за счет увеличения скорости теплопередачи и быстрого удаления сублимированных молекул с поверхности твердого тела. Солнечное излучение может дать дополнительную энергию для сублимации, особенно в веществах, хорошо поглощающих солнечный свет.

Примерами сублимации являются:

1. Сухой лёд (твёрдый углекислый газ) является наиболее типичным примером вещества, подвергающегося при нормальном атмосферном давлении возгонке. Когда сухой лед находится в открытом воздухе, он не тает, а прямо из твердого состояния переходит в газообразное состояние. Этот процесс сублимации сопровождается выделением белого дыма, когда сухой лед “испаряется”.

2. Хорошо поддаётся возгонке лёд, что определило широкое применение данного процесса как одного из способов сушки.

Когда вывешиваем белье на мороз, обратно оно возвращается полностью сухим. Связано это с тем, что произошла сублимация молекул воды, то есть молекулы воды просто выветриваются, минуя одно из агрегатных состояний.

Процесс сублимации, помимо того, что он часто встречается в природе, нашел широкое распространение в быту:

Принтеры цветной печати. Твердые цветные частицы краски сразу переходят в газообразное состояние под воздействием давления и температуры.

Средства от моли и ароматические пластинки. Такие пластинки не просто растворяются, а переходят в состояние газа и переносят запах.

1.2. Понятие десублимации

Обратным процессом является ДЕСУБЛИМАЦИЯ — конденсация вещества из парообразного состояния, минуя жидкое, непосредственно в твёрдое состояние; происходит выделение энергии в очень больших количествах. Десублимация может осуществляться на холодной поверхности или при смешении паров вещества с более холодным газом, при расширении некоторых сжатых газов (образование твёрдого диоксида углерода при работе углекислотных огнетушителей).

Факторы, влияющие на десублимацию:

Температура

Десублимация происходит при понижении температуры ниже точки сублимации. То есть, газообразное вещество конденсируется обратно в твердое состояние.

Давление

Для десублимации также важно давление окружающей среды.

Десублимация может происходить при повышении давления. Например, если газообразное вещество находится в закрытом сосуде и давление в сосуде повышается, то оно может десублимировать и конденсироваться обратно в твердое состояние.

Чистота вещества

Чистота вещества также может влиять на процессы десублимации. Наличие примесей или других веществ может изменить точку сублимации или препятствовать процессу. Поэтому для успешной десублимации важно использовать чистые вещества.

Примерами десублимации служат:

1. Десублимация атмосферной влаги с образованием инея на поверхности земли. Происходит процесс при крайне резком похолодании и слишком быстром прохождении точки росы. Такое явление широко распространено. Увидеть иней можно поздней осенью и зимой. Наиболее хорошо различим он в октябре-ноябре, когда снега еще совсем немного.

2. Десублимация пара на окнах: когда влажный воздух внутри помещения сталкивается с холодной поверхностью окна, пар воздуха может десублимировать и прямо из газообразного состояния перейти в твердое состояние. Это приводит к образованию конденсата или инея на окнах. Мы можем наблюдать это, когда на окнах появляются капли воды или ледяные узоры.

Важно отметить, что не все вещества обладают способностью к десублимации, так как этот процесс зависит от свойств молекул и их взаимодействия вещества.

Отличие сублимации и десублимации представлено в таблице 1.

1.3. Применение сублимации и десублимации

Сублимация и десублимация – это процессы, которые имеют широкое применение в промышленности и научных исследованиях.

Применение сублимации в промышленности:

Сублимация используется в различных отраслях промышленности для получения чистых веществ и разделения смесей.

Например:

- Фармацевтическая промышленность использует сублимацию для получения чистых лекарственных веществ. Вещество сублимируется, а затем собирается и отделяется от примесей.

- Производство пищевых продуктов может использовать сублимацию для получения чистых ароматических веществ. Например, сублимация может использоваться для получения ванилина из ванили.

- Производство электроники может использовать сублимацию для получения чистых полупроводниковых материалов. Например, сублимация может использоваться для получения кристаллов кремния.

Применение десублимации в промышленности:

Десублимация имеет свои применения в промышленности:

Нефтеперерабатывающая промышленность использует десублимацию для разделения нефтепродуктов на различные фракции. Например, десублимация может использоваться для разделения сырой нефти на бензин, дизельное топливо и мазут.

Производство спиртных напитков может использовать десублимацию для получения высокопрочных спиртов. Например, десублимация может использоваться для получения водки или виски.

Производство соли может использовать десублимацию для получения чистой пищевой соли. Например, десублимация может использоваться для отделения соли от раствора.

Сублимация и десублимация также широко используются в научных исследованиях для различных целей:

В химических исследованиях сублимация и десублимация могут использоваться для очистки и разделения веществ, а также для получения чистых образцов для анализа.

В физических исследованиях сублимация и десублимация могут использоваться для изучения фазовых переходов и свойств веществ при различных условиях.

В материаловедении сублимация и десублимация могут использоваться для получения чистых материалов с определенными свойствами, таких как полупроводники или кристаллы.

В целом, сублимация и десублимация играют важную роль в промышленности и научных исследованиях, позволяя получать чистые вещества, разделять смеси и изучать свойства материалов.

Глава 2. Исследование

1. 1. Сублимация и десублимация кристаллов йода

Наглядно продемонстрировать процесс сублимации и десублимации можно на примере кристаллов йода.

Йод (при нормальных условиях) — это кристаллы (формула — I2) чёрно-серого цвета с фиолетовым металлическим блеском, проявляющие неметаллические свойства и издающие характерный запах.

На графике № 1 «Фазовая диаграмма йода» отмечена тройная точка 386,65 К (113,5 °С), 12,1 кПа (0,12 атм), ниже температуры которой имеется только линия сублимации. Поэтому при относительно медленном (квазистатическом) нагреве в открытой системе, когда подавляющая часть подводимой от нагревателя энергии расходуется на фазовый переход (возгонку), а не на повышение температуры твёрдой фазы, йод, не плавясь, возгоняется и превращается сразу в пары. Наоборот, при охлаждении йод десублимируется и образует кристаллы, минуя жидкое состояние.

График №1

Фазовая диаграмма йода

Сублимация йода происходит при комнатной температуре и атмосферном давлении. Достаточно незначительного подогрева твердого йода для запуска процесса. При температуре около 40°С скорость испарения йода резко возрастает. При превышении температуры в 100°С происходит бурное разложение кристаллов йода с интенсивным парообразованием фиолетового цвета.

Возьмем для наглядной демонстрации кристаллический йод. Поместим его в стеклянную пробирку и начнем медленно подогревать. Как только температура в колбе приблизится к 30-40°С, мы заметим, как твердые частицы йода начнут стремительно исчезать и одновременно в пробирке появляется фиолетовая дымка- пары газообразного йода. Это начало процесса сублимации. Чем выше температура, тем интенсивнее разлагаются кристаллы йода с образованием газа.

Таким образом, в результате возгонки йода мы наблюдаем быстрый переход кристаллов йода в газ без промежуточной жидкой фазы.

Если теперь резко охладить стеклянную пробирку, то пары йода вновь конденсируются с образованием мелких темных кристаллов на стенках сосуда. Этот обратный процесс называется десублимацией.

1. 2. Исследование на примере системы «твёрдый углекислый газ (сухой лед)- газ» зависимости скорости сублимации от физических параметров (температура окружающей среды, площади поверхности сублимируемого вещества).

«Сухой лед» — это углекислый газ в твердом состоянии (диоксид углерода). Формула вещества – CO2. Это стерильное, твердое, не токсичное, очень холодное вещество белого цвета без запаха и вкуса.

Температура сублимации углекислого газа составляет 194,65 K (или - 78,5°C), в жидком состоянии диоксид углерода может существовать только при повышенном давлении. Так, при 20°C диоксид углерода переходит в жидкость при давлении более 6 МПа (61.183 кгс/см²). На графике №2 представлена фазовая диаграмм углекислого газа.

График №2

1. 1. 1. Проведем опыт и установим наличие или отсутствие зависимости скорости сублимации сухого льда от температуры окружающей среды.

Возьмем несколько кусочков сухого льда одинаковой массы (0,5 мг) и формы. Поместим по одному куску льда в окружающую среду с различной температурой(-2С, +16С, +26С, +50С,+100С). Произведем замеры времени начала и окончания сублимации каждого куска льда. Каждый замер повторим по 5 раз, посчитаем средний результат. Результаты замеров представлены в таблице №2 и графике №3.

График №3 «Зависимость времени сублимации "сухого" льда от температуры окружающей среды»

Таким образом, опытным путем подтверждено, что температура является фактором, влияющим на скорость сублимации. При повышении температуры окружающей среды сублимация происходит быстрее, так как молекулы твердого вещества набирают энергию и движутся быстрее, что облегчает переход в газообразное состояние. При более низких температурах сублимация происходит медленнее.

2.1.2. Проведем опыт и установим наличие или отсутствие зависимости скорости сублимации от площади поверхности сублимируемого вещества.

При проведении данного опыта в силу того, что невозможно измерить меняющуюся площадь поверхности сублимируемого вещества (сухого льда), используем зависимость: чем меньше масса сублимируемого куска льда, тем меньше его объем, тем меньше поверхностная площадь.

Возьмем 1 грамм сухого льда, поместим его в окружающую среду с постоянной температурой +26С. Произведем замеры массы данного куска каждые 30 секунд с момента начала процесса сублимации. Повторим опыт 5 раз, посчитаем средний результат. Далее посчитаем уменьшение массы куска льда за каждые 30 секунд сублимации. Расчетные данные представлены в таблице №3.

таблица №3

«Зависимость скорости сублимации от площади сублимируемой поверхности вещества»

Таким образом, опытным путем подтверждено, что скорость сублимации зависит от площади сублимируемой поверхности вещества. Чем больше площадь поверхности, тем больше молекул подвергается воздействию окружающей среды, что облегчает переход в газообразное состояние. Поэтому сублимация происходит быстрее в веществах с большей площадью поверхности.

Заключение

На основании теоретического анализа литературы и проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

Сублимация и десублимация – это процессы перехода вещества из твердого состояния в газообразное и обратно. Для сублимации необходимо, чтобы давление паров вещества превышало атмосферное давление при данной температуре, а для десублимации – наоборот. Эти процессы имеют широкое применение в различных областях, включая промышленность и научные исследования. Сублимация и десублимация играют важную роль в повседневной жизни, например, при замораживании сухого льда или при очистке воздуха с помощью сублимационных осушителей. Понимание этих процессов помогает нам лучше понять физические свойства веществ и использовать их в практических целях.

Экспериментальным путем продемонстрированы процессы сублимации и десублимации йода, а также доказано, что процесс сублимации зависит от температуры окружающей среды. При повышении температуры сублимация происходит быстрее, так как молекулы твердого вещества набирают энергию и движутся быстрее, что облегчает переход в газообразное состояние. При более низких температурах сублимация происходит медленнее. Также установлена зависимость скорости сублимации от поверхностной площади сублимируемого вещества: чем больше площадь поверхности, тем больше молекул подвергается воздействию окружающей среды, что облегчает переход в газообразное состояние. Поэтому сублимация происходит быстрее в веществах с большей площадью поверхности.

Список литературы

1. Большая советская энциклопедия, 2012г

2. https://amara-malik.com/ru/issues/18585-50-examples-of-sublimation-direct-reverse-daily-life?ysclid=lrem67ho3g169137885

3. https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-parametrov-protsessa-teploobmena-pri-sublimatsii-dioksida-ugleroda?ysclid=lsr4solpl7565408858

4. https://habr.com/ru/companies/gtv/articles/224777/

5. https://nauchniestati.ru/spravka/sublimacziya-i-desublimacziya/

6. https://www.chem21.info/info/1542532/

7. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%83%D0%B1%D0%BB%D0%B8%D0%BC%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F_(%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0)