Sublimace

Rozbalit box

Obsah boxu

Sublimace je skupenská přeměna, při které látka přechází přímo z pevného skupenství do plynného skupenství, aniž by prošla kapalnou fází. Jedná se o endotermický děj, což znamená, že k němu dochází za spotřeby energie (tepla). Opačný proces, tedy přímá přeměna plynu na pevnou látku, se nazývá desublimace. K sublimaci dochází při teplotách a tlacích pod trojným bodem látky, jak je znázorněno v jejím fázovém diagramu.

Klasickým příkladem sublimace je chování suchého ledu (pevného oxidu uhličitého), který se za standardního atmosférického tlaku nepřemění na kapalinu, ale rovnou na plynný oxid uhličitý.

🔬 Fyzikální princip

Každá pevná látka má určitý tlak par, který závisí na její teplotě. Pokud je tento tlak par vyšší než parciální tlak této látky v okolním plynném prostředí, dochází k postupné sublimaci. Proces se výrazně zrychluje, když tlak par pevné látky dosáhne hodnoty celkového tlaku okolního prostředí.

Fázový diagram

Chování látky a její skupenské přeměny nejlépe popisuje fázový diagram. Tento graf znázorňuje existenci jednotlivých fází (pevné, kapalné, plynné) v závislosti na teplotě a tlaku. Klíčovým bodem v diagramu je trojný bod, kde existují všechny tři fáze v termodynamické rovnováze.

Sublimace nastává na fázovém rozhraní mezi pevnou látkou a plynem, tedy při kombinacích teploty a tlaku, které leží pod trojným bodem. Pokud je například tlak nižší než tlak trojného bodu, látka nemůže existovat v kapalném stavu a při zahřívání přechází přímo z pevné fáze do plynné. To je případ oxidu uhličitého, jehož trojný bod leží při tlaku přibližně 5,1 atmosféry, tedy výrazně nad běžným atmosférickým tlakem.

Sublimační teplo

Energie potřebná k přeměně jednoho molu (nebo kilogramu) pevné látky na plyn se nazývá skupenské teplo sublimační (nebo také sublimační entalpie). Podle Hessova zákona je sublimační entalpie součtem skupenského tepla tání a skupenského tepla varu dané látky při stejné teplotě.

$Δ H_{s u b} = Δ H_{f u s} + Δ H_{v a p}$

Kde:

$Δ H_{s u b}$ je sublimační entalpie
$Δ H_{f u s}$ je entalpie tání
$Δ H_{v a p}$ je entalpie vypařování

🧪 Příklady sublimujících látek

Některé látky sublimují za běžných podmínek velmi ochotně, u jiných je tento jev méně patrný.

Oxid uhličitý (CO₂): V pevném stavu známý jako suchý led. Za normálního atmosférického tlaku (101,325 kPa) sublimuje při teplotě −78,5 °C (194,65 K).
Voda (H₂O): Led a sníh mohou sublimovat i při teplotách pod bodem mrazu (0 °C). Tento jev je zodpovědný za postupné mizení sněhové pokrývky i v mrazivých dnech bez tání nebo za vysychání zmrzlého prádla.
Jod (I₂): Při mírném zahřívání za atmosférického tlaku tvoří charakteristické fialové páry, aniž by se zjevně roztavil. Tento jev je často demonstrován při školních chemických pokusech.
Naftalen: Bílá krystalická látka dříve používaná v kuličkách proti molům. Jeho charakteristický zápach je způsoben právě sublimací pevných kuliček na plynný naftalen.
Arsen: Tento polokov při zahřívání za atmosférického tlaku sublimuje.
Kofein: Při zahřívání ve vakuu může být kofein čištěn sublimací.
Ferrocen: Oranžová krystalická látka, která snadno sublimuje i za laboratorní teploty.

⚙️ Využití a aplikace

Sublimace má široké uplatnění v průmyslu, vědě i v domácnostech.

Lyofilizace (sušení mrazem)

Lyofilizace je nejdůležitější průmyslovou aplikací sublimace. Jedná se o proces sušení, při kterém je materiál (např. potravina nebo lék) hluboce zmrazen a následně je snížen okolní tlak. Za těchto podmínek led obsažený v materiálu sublimuje přímo na vodní páru, která je z procesu odčerpána. Tímto způsobem lze odstranit vodu bez poškození struktury materiálu vysokou teplotou.

Potravinářství: Výroba instantní kávy, sušeného ovoce pro müsli, pokrmů pro astronauty a horolezce.
Farmacie: Sušení vakcín, antibiotik a jiných biologických materiálů citlivých na teplo.
Konzervace: Záchrana dokumentů poškozených vodou.

Sublimační tisk

Tato technologie se používá k potisku textilií (zejména z polyesteru) a dalších materiálů s upraveným povrchem (např. hrnky, podložky pod myš). Speciální sublimační inkoust se nejprve vytiskne na přenosový papír. Ten se následně pomocí tepelného lisu přitiskne na potiskovaný předmět. Při vysoké teplotě (kolem 200 °C) inkoust z papíru sublimuje a v plynném stavu proniká do struktury materiálu, kde se po ochlazení opět stane pevnou součástí vláken. Výsledkem je velmi odolný a stálobarevný potisk.

Čištění chemických látek

V chemii se sublimace používá jako metoda čištění (purifikace) některých pevných látek. Směs se zahřívá za sníženého tlaku a sublimující složka se následně nechá desublimovat na chlazeném povrchu (tzv. chladný prst), kde vytvoří čisté krystaly.

Vesmírný výzkum

Sublimace hraje klíčovou roli v chování komet. Když se kometa přiblíží ke Slunci, sluneční záření zahřívá její ledové jádro. Zmrzlé plyny (voda, oxid uhličitý, metan) sublimují a vytvářejí plynný obal kolem jádra zvaný koma a následně i charakteristický ohon. Sublimace ledu byla pozorována také na Marsu a na ledových měsících vnější Sluneční soustavy.

Speciální efekty

Suchý led se běžně používá ve filmech, na koncertech a v divadlech k vytváření efektu husté, u země se držící mlhy. Tato "mlha" není plynný oxid uhličitý (který je neviditelný), ale miniaturní kapičky vody, které kondenzují ze vzdušné vlhkosti vlivem nízké teploty sublimujícího CO₂.

🧠 Pro laiky: Co je sublimace?

Představte si, že máte kostku ledu. Normálně, když ji zahřejete, roztaje na vodu a ta se pak vypaří na páru. Sublimace je jako přeskočení prostředního kroku – led se promění rovnou na neviditelnou páru, aniž by z něj byla jediná kapka vody.

Mizející sníh v mrazu: Viděli jste někdy, jak sníh pomalu mizí, i když je stále pod nulou a nemůže tát? To je sublimace v praxi. Sluneční svit dodá sněhu dost energie na to, aby se jeho molekuly proměnily přímo na vodní páru.
Voňavé kuličky proti molům: Staré kuličky z naftalenu v šatníku postupně "mizely" a zmenšovaly se. Bylo to proto, že pevný naftalen sublimoval a jeho plynné molekuly jsme cítili jako charakteristický zápach.
Mlha ze suchého ledu: Když hodíte suchý led (zmrzlý oxid uhličitý) do vody, nevaří se. Sublimuje na studený plyn. Tento plyn je tak studený, že okamžitě zmrazí vlhkost ze vzduchu kolem sebe a vytvoří hustou bílou mlhu, kterou vidíme.

Sublimace je tedy "tiché" vypařování pevných látek.

📚 Související pojmy

Šablona:Aktualizováno