淺析升華現象成因

程琳 牛文成

生活中有許多升華現象，如固態的碘受熱直接變成碘蒸氣的過程;樟腦丸逐漸變小;冰受熱直接變成水蒸氣;燈泡用久了會變黑，是因為燈絲（鎢）受熱而升華;干冰受熱變為氣態二氧化碳，舞臺上看到的霧，就是利用干冰升華吸熱，使得周圍溫度降低，由空氣中的水蒸氣遇冷液化成的小水滴等。我們也利用升華現象實現降低液化、物質分離等。但升華現象是如何實現的，初高中物理課本沒有過多的解釋，因此，本文通過熱學內容加以分析，對升華的成因，常用的升華方法加以分析匯總，進而對升華有更深入一層的理解。

初中物理定義固態物質不經液態直接轉變成氣態的現象稱為升華，而氣態物質不經過液態直接轉化成固態的過程稱為凝華。升華過程需要吸收熱量，而凝華現象會放出熱量。

蒸氣壓是指一定外界條件下，液體中的液態分子會蒸發為氣態分子，同時氣態分子也會撞擊液面回歸液態。這是單組分系統發生的兩相變化，一定時間后，即可達到平衡。平衡時，氣態分子含量達到最大值，這些氣態分子對液體產生的壓強稱為飽和蒸氣壓，簡稱蒸氣壓。

有些物質【如氧（O）】在固態時就有較高的蒸氣壓，因此受熱后不經熔化就可直接變為氣體，冷凝時又轉化為固體。固體物質的蒸氣壓與外壓相等時的溫度，稱為該物質的升華點。在升華點時，不但在晶體表面，而且在其內部也發生了升華，作用很劇烈，易將雜質帶入升華產物中。為了使升華只發生在固體表面，通常總是在低于升華點的溫度下進行，此時固體的蒸氣壓低于內壓。

固液氣的轉化

三相點一般指的是，各種化學性質穩定的純物質處于固、液、氣三個相（態），在平衡共存時的三條平衡線的交點。三相共存時具有固定的溫度和壓強。所謂相，是指在某一系統中，具有相同成分及相同物理、化學性質的均勻物質部分。各相之間有明顯的界面。如有冰、水組成的混合物，冰是一個相，水又是一個相，共有兩個相。而酒精可以溶解于水，水和酒精的混和物卻只有一個相。又如兩塊晶形相同的硫磺是一個相，而兩塊晶形不同的硫磺（如斜方晶形和單斜晶形）則是兩個相。不同相之間的相互轉變叫做相變。相變是十分普遍的物理過程。物態變化就是一種相變過程。例如，固體、液體之間的物態變化過程就是物質 從固相轉變為液相（熔化）或液相轉變為固相（凝固）的過程。

②在熔點時，固、液兩相平衡共存。如果低于熔點，物質就以固相存在;如果高于熔點，物質就以液相存在。因此在p-T圖中，畫出熔點和壓強的關系曲線OL（熔解曲線）就可以表示固、液兩相存在的區域。在OL的左方是固相存在的區域，OL和OK（氣相和液相平衡共存的相平衡曲線）之間，是液相存在的區域（如圖），OL與0K的交點O叫做三相點。這一點既在熔解曲線上，又在汽化曲線上，因此三相可以平衡共存。

各種物質，處在三相點時都具有固定的溫度和壓強。如水的三相點溫度為0.01℃，壓強為4.58mmHg。

在三相點的壓強以下加熱物體時，物體由固態不經過液態而直接轉變為氣態的過程。相反的過程叫做凝華。在升華過程中，外界要對固態物質中的分子做功，使其一方面克服與周圍分子間的結合力，一方面克服固態物質的環境壓強。單位質量物質升華時所吸收的熱量叫做升華熱，在三相點它等于熔解熱與汽化熱之和。升華時，和固體平衡的蒸氣壓強（即固體上方的飽和蒸氣壓）同溫度的關系由克拉珀龍方程給出，在（T，p）圖上由曲線OS表示。OS曲線上的點表示固、氣兩相平衡共存的狀態。

其中氣體的質量為m，摩爾質量為M，則氣體的摩爾數就是ν= 。這時，氣體的狀態方程就稱之為克拉珀龍方程。

因此，從圖中可知，只要我們知道某種物質的三相點的壓強和溫度，確定物質在蒸汽壓強下改變溫度，即可實現由固態向氣態的直接轉化。

生活中常見的升華方式

（1）常壓升華：在正常壓強下固體的升華過程。

（2）常溫升華：即在正常溫度下固體的升華過程。

（3）真空升華：又稱減壓升華，由于升華與固體蒸氣壓和外壓的相對大小有關，降低外壓可以降低升華溫度，在常壓下不能升華或升華很慢的物質可以采用真空升華。真空升華還可防止被升華的物質因溫度過高而分解或在升華時被氧化。金屬鎂和釤、三氯化鈦、苯甲酸、糖精等都可用此法提純。

（4）低溫升華

1976年，J.W.米切爾提出低溫升華技術，即將溫度和壓力維持在升華物質的三相點以下，使它在很低的壓力（幾毫米汞柱）下升華，經冷凝后捕集在冷阱中而與雜質分離。此法操作簡單，產品純度很高，例如很難用一般方法提純成高純試劑的過氧化氫，用此法提純，一次即可將鈷、鉻、銅、鐵、錳、鎳等雜質從1000ng/mL降至0.4～2ng/mL。

（作者單位：1長安大學理學院2西安市曲江第一中學）