碘升华是咋回事

碘升华是咋回事

在化学课中大家可能都看过这个实验：把少量碘晶体放在烧杯里，烧杯上方罩一个盛有冷水的烧瓶，给烧杯稍稍加热，很快就可以观察到：碘在常压下受热，不经熔化就直接变成紫色蒸气，在烧瓶底部碘蒸气遇冷，又重新凝成固体（图5—3）。这种固态不经液态直接变为气态的现象叫做“升华”，反之，则叫做“凝华”。化学课中用碘的升华实验证明分子在不停运动。我们通常见到的物质三态变化是，固态在熔点熔化为液态，液态在沸点又变为气态，←↑←↑如冰水水蒸气，碘的三态变化为什么不遵循这一常规呢？难道碘的熔点比沸点还高？能否得到液态碘？

图5－3　碘的升华

从手册中查知，碘的熔点为113．5℃，沸点为184．4℃，用熔点比沸点高来解释碘的升华显然与事实不符。那又如何解释碘的升华呢？为了圆满地解释这种现象，需要介绍一下碘的“相图”。所谓相图，是指物质在温度、压力等外界条件的影响下，反映状态发生变化的图形。相图都是由实验测定后绘出的，用于讨论物质发生状态改变的条件，是一种很有实用价值的图形。

图5－4　碘的相图

图5—4就是碘单质的相图，图中横坐标为温度，纵坐标为压力，S、L和G分别表示固相（或固态）、液相（或液态）和气相（或气态）区：BO、CO和AO线分别表示固－气、固－液和液－气的相平衡曲线；三曲线交于一点O，是固－液－气三相共存的点，称为“三相点”，碘的三相点的温度和压力分别为114．05℃和1．19×10帕，表示在这一温度及压力条件下，碘的三相可以共存；C点为标准大气压下固－液的平衡温度，即碘的熔点（113．5℃）；A点为液态碘的饱和蒸气压为标准大气压下的温度，即为碘的沸点（184．4℃）。图形中的曲线都是根据实验数据绘出的，如测定若干不同温度下固体碘的饱和蒸气压，将这些点在坐标纸上标出，连成曲线（BO），即得固－气曲线；CO线是测定了不同外压下固体碘和液体碘的平衡温度数据绘出的曲线；AO线是测定不同温度下液碘的饱和蒸气压绘出的曲线。当温度和压力处在平衡线之外时，就会发生不同相之间的变化。以图中的E和F点为例，E点的蒸气压低于该温度下的饱和蒸气压，就会有固态碘升华以增加碘的蒸气压，直至升至饱和蒸气压止；F点的蒸气压高于同温度下的饱和蒸气压，就会发生碘蒸气的凝华，直至降至饱和蒸气压止。

了解碘的相图的意义和特点后，对于碘的升华就不难解释了。碘的相图表明，碘的三相点较高（114．05℃），在低于三相点的温度区间，只存在着固液平衡。当在此区间的某温度下碘的蒸气压低于该温度的饱和蒸气压时，就会发生固体碘的升华，而降温后使蒸气压高于该温度下的饱和蒸气压时，又会发生凝华。本文开始做的碘升华的实验，就是因稍稍加热使碘的温度仍低于三相点，碘蒸气又不断凝华，使蒸气压始终低于饱和蒸气压，故使碘的升华不停地发生。由碘的相图可知，要想得到液态碘，就必须设法使其温度高于三相点，且碘的蒸气压高于三相点时的碘的蒸气压，才会出现液－气平衡，产生液态碘。如将足量的固体碘置于一个细口瓶中加热，使碘蒸气的逸出较困难，碘蒸气的蓄积使其蒸气压不断升高，当温度和蒸气压都超出三相点的温度和压力时，如图中的H点，就会发生碘蒸气液化成液态碘。

以前对于碘的升华觉得不好理解，这是因为对碘的状态的变化条件认识得不够全面，误认为只有温度达到沸点时，才会由液碘变为碘蒸气，却不知在三相点之下的很宽的温度范围内，都存在着由固态碘直接变为气态碘的可能性，而沸点仅仅是气液两相在标准大气压下的平衡温度，当达到这一温度时，液态的表面、内部各个部分都同时气化。

升华现象并不是固体碘的“专利”，单质硫、有机物樟脑（C₁₀H₁₆O）等都属易发生升华的物质。利用硫的升华，可以提纯硫单质；利用樟脑的升华，可防止毛料衣服被虫咬。即使是水，实际上也有升华，但因水的三相点的温度、压力都很低，稍稍加温，即达到固—液转化和液—气转化，加之水蒸气无色不易察觉，结果造成的印象是冰只能熔化，不会升华。