Τι είναι η Εξάχνωση στη Χημεία;
Η εξάχνωση στη χημεία αναφέρεται στη μετάβαση φάσης κατά την οποία η ύλη αλλάζει κατάσταση από στερεό αμέσως σε αέριο, χωρίς να διέρχεται από μια ενδιάμεση υγρή φάση. Η εξάχνωση συμβαίνει όταν η ατμοσφαιρική πίεση είναι πολύ χαμηλή για να υπάρχει μια ουσία σε υγρή μορφή. Η εξάχνωση είναι το αντίστροφο της εναπόθεσης, η μετάβαση φάσης κατά την οποία το αέριο μεταβαίνει αμέσως σε στερεή κατάσταση. Το αν μια ουσία θα εξαχνωθεί ή όχι από στερεή σε αέρια κατάσταση εξαρτάται από το τριπλό σημείο της ουσίας, τη θερμοκρασία και την πίεση στην οποία μια ουσία βρίσκεται σε ισορροπία ως οι τρεις καταστάσεις της ύλης.
Μια ουσία θα εξαχνωθεί μόνο σε θερμοκρασίες και πιέσεις χαμηλότερες από το τριπλό σημείο της ουσίας.
Η εξάχνωση συμβαίνει λόγω της απορρόφησης θερμότητας μέσω στερεών υλικών. Τα στερεά υλικά απορροφούν θερμότητα που διεγείρει τα συστατικά μόρια. Τα διεγερμένα μόρια κινούνται αρκετά γρήγορα ώστε να ξεφύγουν από τις ελκτικές δυνάμεις άλλων μορίων και να εξυψωθούν στην ατμόσφαιρα. Στην πραγματικότητα, ο ίδιος μηχανισμός οδηγεί την εξάτμιση των υγρών σε αέρια. Ανάλογα με τη θερμοκρασία και την πίεση, τα μόρια που διαφεύγουν είτε τήκονται σε υγρό είτε εξαχνώνονται σε αέριο. Η εξάχνωση είναι μια φυσική μετάβαση κατάστασης, επομένως ΔΕΝ αναφέρεται στη διαδικασία με την οποία οι χημικές αντιδράσεις μετατρέπουν τα στερεά αντιδρώντα σε αέρια προϊόντα. Οι αντιδράσεις καύσης όπως η καύση ξύλου δεν μετρούν ως εξάχνωση καθώς η καύση είναι μια χημική αντίδραση που προκαλείται από την οξείδωση των αντιδρώντων. Η εξάχνωση απαιτεί την εισαγωγή ενέργειας και επομένως είναι μια ενδόθερμη αντίδραση.
Διαγράμματα Φάσεων και Εξάχνωση
Οι ιδιότητες μεταβατικής φάσης της ύλης μπορούν να αναπαρασταθούν με ένα διάγραμμα φάσης. Ένα διάγραμμα φάσης είναι μια οπτική αναπαράσταση του τρόπου με τον οποίο μια ουσία αλλάζει φάση. Είναι ένα γράφημα 2-Δ που δείχνει τη σχέση μεταξύ θερμοκρασίας/πίεσης και της ιδιαίτερης κατάστασης της ύλης που θα πάρει μια ουσία σε αυτές τις θερμοκρασίες και πιέσεις. Για παράδειγμα, σε κανονική πίεση και θερμοκρασία το νερό μπορεί να υπάρχει ως στερεό, υγρό ή αέριο. Το διοξείδιο του άνθρακα, αντίθετα, μπορεί να υπάρχει μόνο ως αέριο σε κανονικές θερμοκρασίες και πιέσεις.
Οι γραμμές στο διάγραμμα φάσης που αντιστοιχούν σε σημεία όπου μια ουσία θα υποστεί μια μετάβαση φάσης από τη μια κατάσταση στην άλλη. Επομένως, στην παραπάνω εικόνα, η εξάχνωση αναφέρεται σε οποιαδήποτε μετάβαση μεταξύ των δύο τμημάτων διαιρούμενη με την κάτω γραμμή. Σε κανονικές πιέσεις και θερμοκρασίες, οι περισσότερες ενώσεις θα έπρεπε να περάσουν σε υγρή κατάσταση για να μεταβούν από στερεό σε αέριο. Ωστόσο, λόγω των επιπτώσεων από την τάση ατμών μιας ουσίας, πολλές κοινές ουσίες όπως το νερό θα εξαχνωθούν σε αισθητά χαμηλές θερμοκρασίες σε κανονικές ατμοσφαιρικές πιέσεις.
Η ενθαλπία της εξάχνωσης είναι ένα μέτρο για το πόση ενέργεια με τη μορφή θερμότητας απαιτείται για τη μετάβαση ενός mol μιας ουσίας από στερεή κατάσταση σε αέρια κατάσταση σε τυπική θερμοκρασία και πιέσεις. Μετρημένη σε kJ/mol, η ενθαλπία εξάχνωσης μπορεί να υπολογιστεί προσθέτοντας την ενθαλπία σύντηξης και την ενθαλπία εξάτμισης μιας ουσίας, τις ενέργειες που απαιτούνται για τη μετατροπή μιας ουσίας από στερεό σε υγρό και υγρό σε αέριο, αντίστοιχα. Έτσι, κατά μία έννοια, θα μπορούσε κανείς να σκεφτεί την εξάχνωση σχεδόν σαν την ταυτόχρονη τήξη και εξάτμιση μιας στερεής ουσίας.
Χρήση και παραδείγματα εξάχνωσης
Το πιο συνηθισμένο παράδειγμα εξάχνωσης είναι η εξάχνωση του ξηρού πάγου σε αέριο διοξείδιο του άνθρακα. Το στερεό διοξείδιο του άνθρακα θα εξαχνωθεί στους -78,5°C σε τυπικές πιέσεις, επομένως ένα κομμάτι ξηρού πάγου στο ύπαιθρο θα εξαχνωθεί πολύ αισθητά, εξ ου και η χρήση ξηρού πάγου σε μηχανές ομίχλης. Η πίεση του τριπλού σημείου του διοξειδίου του άνθρακα είναι πολύ υψηλή, επομένως είναι δύσκολο να ληφθεί αέριο διοξείδιο του άνθρακα μέσω της εξάτμισης υγρού διοξειδίου του άνθρακα.
Η ναφθαλίνη είναι μια άλλη στερεή ουσία που βρίσκεται στα φυτοφάρμακα σκώρων και εξαχνώνεται πολύ εύκολα σε θερμοκρασίες δωματίου, καθώς αποτελείται από μη πολικά μόρια που συγκρατούνται μεταξύ τους μόνο από ασθενείς δυνάμεις van der Waals. Γενικά, όσο πιο αδύναμη είναι η αντοχή των χημικών δεσμών μιας ουσίας, τόσο λιγότερη ενέργεια που απαιτείται για να εξαχνωθεί το στερεό σε αέριο. Άλλα φυσικά υλικά που θα εξαχνωθούν σε τυπικές θερμοκρασίες και πιέσεις περιλαμβάνουν το ιώδιο και το αρσενικό. Ωστόσο, από τεχνική άποψη, οποιαδήποτε ουσία θα εξαχνωθεί υπό την προϋπόθεση ότι βρίσκεται στη σωστή θερμοκρασία και πίεση.
Η εξάχνωση έχει χρησιμοποιηθεί επίσης σε εργαστήρια ως μέσο καθαρισμού ενώσεων και ουσιών. Το στερεό υλικό τοποθετείται σε τεχνητό κενό και θερμαίνεται. Η χαμηλή πίεση στο κενό και η υψηλή θερμοκρασία αναγκάζουν την καθαρή ουσία να εξαχνωθεί και να συγκεντρωθεί σε μια ψυχρή επιφάνεια. Η καθαρή ουσία μπορεί στη συνέχεια να συλλεχθεί από την ψυχόμενη επιφάνεια. Ο έλεγχος του ρυθμού εξάχνωσης ελέγχει συνεπώς τη σχετική καθαρότητα του δείγματος. Οι αλχημιστές κατά τη διάρκεια του Μεσαίωνα χρησιμοποιούσαν αυτήν την τεχνική για να διαχωρίσουν τις ουσίες μεταξύ τους και θεώρησαν τη διαδικασία της εξάχνωσης ως μια μυστικιστική «πνευματοποίηση» του σώματος
Οι διαδικασίες εξάχνωσης και η αντίστροφη εναπόθεσή της είναι κρίσιμες για τον κύκλο του νερού στη Γη. Εκτός από την εξάτμιση από υγρό νερό, η ατμόσφαιρα παίρνει το νερό της από την εξάχνωση του πάγου νερού από ψυχρές περιοχές και μεγάλα υψόμετρα. Οι «άνεμοι Chinook» εξαιρετικά ξηρές ριπές ανέμου που συμβαίνουν σε μεγάλα υψόμετρα και χαμηλές θερμοκρασίες, εκτός από το ηλιακό φως, θα εξαχνώσουν το χιόνι απευθείας σε υδρατμούς. Η εξάχνωση είναι ένας συνηθισμένος τρόπος για την αφαίρεση του χιονιού από ψυχρές ξηρές περιοχές όπως τα δυτικά Βραχώδη Όρη ή το Έβερεστ. Ο εξαχνωμένος ατμός στη συνέχεια συγκεντρώνεται στην ατμόσφαιρα όπου συμπυκνώνεται και αποτίθεται σε σύννεφα νερού και κρυστάλλους πάγου. Η εξάχνωση είναι επίσης ένας από τους κύριους μηχανισμούς της κατάλυσης των παγετώνων. Ο πάγος νερού στις ψυχρές, ξηρές και χαμηλής πίεσης περιοχές όπου σχηματίζονται παγετώνες θα εξαχνωθεί λόγω της ενέργειας από τον ήλιο. Η προκύπτουσα απώλεια μάζας μπορεί να προκαλέσει την αποκοπή μεγάλων κομματιών παγετώνων.
