تسامي

التسامي أو التَّصَعُّد Sublimation عملية عن طريقها يتم تحويل المادة الصلبة إلى غاز مباشرة دون المرور على صورتها السائلة. وهناك عدد قليل من المواد مثل اليود والزرنيخ والكافور والثلج الجاف يمكن أن تتحول إلى غاز بدون انصهارها أولاً. ويطلق على هذه المواد بأنها مواد متسامية. ومن أمثلة التسامي، ما يحدث في المناطق الباردة عندما تعلق الملابس المبتلة على حبل للغسيل في أحد أيام فصل الشتاء، تكون درجة الحرارة فيه تحت نقطة التجمد، حيث تتجمد المياه التي في الملابس، ثم تتبخر في صورة بخار ماء دون انصهار.

بلورات خضراء داكنة من النيكلوسين، حديثة التسامي على اصبع بارد.

عملية تسامي للكافور، حيث تتم تنقيته بذلك، لاحظ البلورات البيضاء وقارنها مع اللون البني الداكن للمادة الخام.

Water sublimation occurring on ice-covered powerline poles in strong sunlight at just above freezing

وتتحول مادة اليود الصلبة بالتسخين إلى بخار دون المرور على صورتها السائلة، وعندما يتم تبريد هذا البخار يتحول اليود مرة أخرى إلى بلورات صلبة. وهذا التحول من البخار إلى صورته الأصلية هو أيضًا جزء من عملية التسامي. وتُستخدم عملية التسامي في مجال الصناعة لتنقية المواد؛ فعندما تتحول المادة الصلبة مباشرة إلى بُخار فإن ما يتبخر بالفعل هو المادة النقية فقط، بينما تبقى الشوائب مترسبة في القاع. وباستخدام هذه العملية تتم صناعة الكبريت النقي (يطلق عليه أزهار الكبريت) والصمغ الجاوي وكلوريد النشادر.

ويطلق تسامي أيضاً على التحول المباشر من الحالة الغازية أو البخارية إلى الحالة الصلبة التي تعرف أيضاً باسم الترسيب precipitation، كتحول بخار الماء في الجو مباشرة إلى ثلج أو جليد في جو بارد. أما المعادن فلا تتصعَّد في درجات الحرارة العادية.

ويjqpتغير الضغط بتغير درجة الحرارة في حالات المادة الثلاث: الصلبة والسائلة والغازية أو البخارية، وهو يتألف من ثلاثة منحنيات: منحني التصعُّد ع ن ومنحني التبخر ن خ ومنحني الانصهار ن هـ، وهي تقسم مستوى الشكل (1) إلى ثلاث مناطق: المنطقة (ب) تقابل الحالة المستقرة للبخار غير المشبع، و(س) الحالة المستقرة السائلة، و(ص) الحالة المستقرة الصلبة، وتلتقي المنحنيات الثلاثة جميعها في نقطة واحدة ن، تسمى النقطة الثلاثية التي تتحقق عندها شروط التوازن في حالات المادة الثلاث.

ويتبين من منحني التصعد أن ضغط التصعد (ضتص) تابع لدرجة الحرارة وحسب. ولكل جسم نقي منحني تصعد خاص به، ويكون ميل هذا المنحني موجباً دائماً، ولا يكون له حدٌّ معين في درجات الحرارة المنخفضة، بل يكون فيها الضغط ضتص ضئيلاً جداً، أما في درجات الحرارة العالية فينتهي المنحني عند النقطة الثلاثية ن. ^[1]

ويتبين كذلك من منحني الانصهار ن هـ أن الجسم لا ينصهر، أي يتحول إلى سائل إذا كان الضغط الواقع عليه أقل من ضغط النقطة الثلاثية لهذا الجسم، أي إنه يتحول مباشرة إلى بخار، أي يتصعَّد. ويتضح هذا أكثر ما يتضح في حالة الزرنيخ وأكاسيده، إذ إن ضغط النقطة الثلاثية لها أعلى من الضغط الجوي، لذلك فهي لا تنصهر، وتتحول تحت الضغط الجوي مباشرة إلى بخار. وإذا سُخِّنت في وعاء مغلق فإن ضغط أبخرتها يزداد بازدياد درجة الحرارة، وحين تصل قيمته إلى قيمةٍ أعلى من ضغط النقطة الثلاثية يحدث الانصهار، ويحدث مثل ذلك لثاني أكسيد الكربون CO2 الذي يُحفظ وهو سائل في أسطوانات فولاذية تحدث ضغط شديد مقداره نحو (60) جو، في درجة الحرارة العادية. فإذا فُتح صنبور الأسطوانة ليتسرب منها السائل انخفض الضغط إلى الضغط الجوي وانخفضت في الوقت نفسه درجة حرارة ثاني أكسيد الكربون بسبب التبخر السريع، فتقع النقطة الممثلة لحالته على منحني التصعد حيث لا يكون هناك توازن إلا بين الجسم الصلب وبخاره، ويتكون مايسمى الثلج الكربوني أو الجليد الصلب الجاف الذي يتبخر من دون أن يمر بالحالة السائلة، وتكون درجة حرارة التصعد - 87ْس تحت الضغط الجوي، انظر الشكل (2)، وبذلك يمكن الحصــول بالثلج الكربوني على درجة حرارة منخفضة معينة بدقة، وهو أصلح ما يكون لغرض التبريد، لأنه لا يبلل الأشياء التي يبرِّدها كما يحيط المادة المبَّردة بغلاف من غاز CO2 يفيد في عزلها. غير أن ثاني أكسيد الكربون يمكن أن ينصهر في الدرجة 65ْس تحت ضغط مقداره نحو (5) جو .

وحين تكون أبخرة الجسم الصلب القابل للتصعُّد تحت ضغط أعلى من ضغط التوازن العائد لدرجة حرارتها تتكاثف الأبخرة على جوانب الوعاء حاويها على شكل بلورات صغيرة، أي يحدث تبلور بالتصعُّد، ويستفاد من هذه الظاهرة في تنقية بعض الأجسام التي تكون مختلطة حين تحضيرها بمواد أقل تطايراً مثل حمض البنزوئيك واليود وكلوريد الزئبق. وتتم عملية التنقية باستعمال أجهزة شبيهة بأجهزة التقطير، ويتضمن الجهاز منطقتين تُجعلان في درجتي حرارة مختلفتين، فحين يُدخل الجسم الذي يُراد تنقيته في المنطقة الأشد حرارة يبدأ بإصدار أبخرة تتكاثف على الجانب الأبرد من قارورة ذات قاع مستو. وتستخدم هذه الطريقة بوجه خاص عندما يستلزم تقطير المواد التي يراد تنقيتها أن يتم ذلك في درجات حرارة عالية يمكن أن تؤدي إلى تفككها، أو عندما يكون استعمال المذيبات بغرض بلورتها يرافقه بعض الصعوبات.

وتعرَّف حرارة التصعد كح بأنها كمية الحرارة اللازمة لتصعيد وحدة الكتل من البلورة في درجة حرارة د مطلقة وضغط ض ثابتين. وهي تُعطى بمعادلة كلابيرون Clapeyron:

حيث : كب الكتلة الحجمية للبخار و: كص الكتلة الحجمية للصلب و د: درجة الحرارة المطلقة أما المضروب الأخير فيمثل ميل منحني التصعد. وهذه الصيغة هي أفضل وسيلة للحصول على كحتص لأن القياسات المباشرة لحرارة التصعد صعبة ودقتها قليلة.

وجدير بالذكر أن حرارة التصعد عند النقطة الثلاثية لجسم نقي تساوي مجموع حرارتي الانصهار والتبخر، أي:

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

أمثلة

توجد العديد من المواد التي تتسامى عند ضغوط منخفضة، بالتاي تسبب مشاكل في التطبيقات التي تتطلب تفريغاً عالياً مثل الزنك والكادميوم.

يعد الثلج الجاف، وهو الشكل الصلب من ثنائي أكسيد الكربون، من أكثر الأمثلة شيوعاً . كذلك اليود مثال شائع أيضاً على هذه الحالة، حيث يتسامى بأبخرته عند يسخينه قليلا ، كما يمكن انصهار اليود تحت الضغط الجوي العادي فوق نقطة انصهار اليود بقليل.

تستخدم هذه الظاهرة في التجفيف بالتجميد، والتي تمكن من تعليق الملابس المبتلة خارجاً في الطقس المتجمد فتصبح جافة مرة أخرى.