¿Por qué algunas sustancias sufren sublimación mientras que otras no?

Question

Esta pregunta es realmente larga, pero por favor, revise la pregunta al menos.

Desde el estudio de la teoría cinética sé que para respuestas intuitivas podemos asociar los estados (líquido, sólido, gas) con el movimiento de sus partículas constituyentes, es decir, por ejemplo, en un gas las partículas pueden moverse libremente mucho más que las partículas en líquidos, que a su vez pueden moverse más libremente en comparación con los sólidos, es decir, si necesito convertir agua en gas necesito darle energía a su partícula y excitarla para que pueda desprenderse de las fuerzas de atracción y moverse mucho más libremente.

Pero luego estudié sobre la sublimación y ejemplos como el hielo seco que se convierte directamente en gaseoso $CO_2$ incluso a temperatura ambiente.

Pero basándonos en esta analogía de la teoría cinética, ¿no debería haber un estado de energía de las partículas (asociadas con sus movimientos) entre el estado sólido/gaseoso que deberíamos llamar estado líquido? ¿Cómo es posible que las partículas del hielo seco, cuyo movimiento estaba muy restringido, se conviertan de repente en estado gaseoso con velocidades muy altas?

¿No debería esta transición ocurrir de manera continua en lugar de repentinamente como se proyecta con el término sublimación, ya que la mayoría de las partículas de los sólidos tienen movimientos restringidos y solo vibran, pero en los gases es completamente diferente, entonces, ¿por qué no deberíamos llamar a un estado entre ellos como líquido? ¿Como lo hacemos en muchos otros procesos?

Editar: Entiendo que el punto de fusión/ebullición también depende de la presión, lo que da lugar a fenómenos como la regelación, pero estoy tratando de hacer una pregunta mucho más básica, es decir, si las partículas (en por ejemplo hielo seco como se menciona arriba) tienen un movimiento restringido y solo pueden vibrar sobre su posición, entonces, ¿cómo se puede repentinamente convertir en gas en el que las partículas tienen velocidades muy altas y pueden desaparecer en el aire en cuestión de segundos? ¿Qué sucede en el medio, por qué la discontinuidad? Eso es lo que me está perturbando aquí, ya que debe haber un estado entre sólido-gas en el que las partículas tengan una mayor velocidad que los sólidos pero menor que las partículas gaseosas. Un estado que comúnmente llamamos líquido, entonces, ¿por qué no hacerlo esta vez y decir que la transición entre estados ocurrió así: hielo seco sólido (las partículas tienen velocidades muy bajas) hielo seco líquido (las partículas pueden moverse mucho más libremente) hielo seco gaseoso (las partículas se han vuelto locas y se mueven aquí y allá como desean ya que hay muy poca fuerza de atracción)

Pero en lugar de esto, usamos el término sublimación, que no cuenta toda la historia. Entonces, ¿por qué usamos este término para algunas sustancias a ciertas temperaturas y para otras no, si sabemos que la transición siempre está ocurriendo continuamente?

Answer 1

Ya sea que uno vea un sólido, un líquido o un gas está determinado por las propiedades de correlación de las moléculas en la sustancia. Los sólidos (en cristales) tienen correlaciones fuertes y de largo alcance, los líquidos no tienen correlaciones de largo alcance pero sí fuertes correlaciones de corto alcance, mientras que los gases casi solo tienen débiles correlaciones intermoleculares.

En la parte del diagrama de fases debajo del punto triple, cruzar la línea de coexistencia de sólido a gas significa que al agregar energía, las moléculas individuales se separan de la superficie de una manera débilmente no correlacionada y por lo tanto inmediatamente se comportan como moléculas de gas.

Por otro lado, en la parte del diagrama de fases por encima del punto triple, cruzar la línea de coexistencia de sólido a líquido significa que al agregar energía, la superficie se divide en muchas regiones pequeñas (y no muy bien definidas) que consisten en unas pocas moléculas altamente correlacionadas y por lo tanto inmediatamente se comportan como moléculas de líquido, caracterizadas por fuertes correlaciones a corta distancia.

Para un trozo muy pequeño de sólido, la distinción entre gas y líquido no es muy pronunciada, pero para sólidos del tamaño relevante en la escala de tiempo humana, ya estamos muy cerca del límite termodinámico (de volumen infinito) donde estos efectos ocurren instantáneamente. Por lo tanto, la transición es casi instantánea.

Si quieres saber qué sucede con más detalle de lo que obtienes de la mecánica estadística a granel, necesitas observar los procesos de adsorción/desorción en una superficie sólida. Ver https://de.wikipedia.org/wiki/Adsorption - Esto se utiliza principalmente para el contacto de diferentes sustancias, pero la congelación y la fusión/sublimación funcionan esencialmente de la misma manera que la adsorción y la desorción, respectivamente.

Answer 2

Los cambios de fase no solo dependen de la temperatura, sino también de la presión. Como cualquier sustancia, si logras la combinación adecuada de presión y temperatura, puedes mantenerla en estado sólido, líquido o gaseoso, o si eres realmente bueno, mantenerla en el punto triple y conseguir que las tres fases estén en equilibrio entre sí. Para el CO2, es muy probable que la fase líquida esté fuera de la mayoría de las combinaciones de temperatura y presión utilizadas en aplicaciones de ingeniería y la vida cotidiana.