浅析升华现象成因

程琳 牛文成

生活中有许多升华现象，如固态的碘受热直接变成碘蒸气的过程;樟脑丸逐渐变小;冰受热直接变成水蒸气;灯泡用久了会变黑，是因为灯丝（钨）受热而升华;干冰受热变为气态二氧化碳，舞台上看到的雾，就是利用干冰升华吸热，使得周围温度降低，由空气中的水蒸气遇冷液化成的小水滴等。我们也利用升华现象实现降低液化、物质分离等。但升华现象是如何实现的，初高中物理课本没有过多的解释，因此，本文通过热学内容加以分析，对升华的成因，常用的升华方法加以分析汇总，进而对升华有更深入一层的理解。

初中物理定义固态物质不经液态直接转变成气态的现象称为升华，而气态物质不经过液态直接转化成固态的过程称为凝华。升华过程需要吸收热量，而凝华现象会放出热量。

蒸气压是指一定外界条件下，液体中的液态分子会蒸发为气态分子，同时气态分子也会撞击液面回归液态。这是单组分系统发生的两相变化，一定时间后，即可达到平衡。平衡时，气态分子含量达到最大值，这些气态分子对液体产生的压强称为饱和蒸气压，简称蒸气压。

有些物质【如氧（O）】在固态时就有较高的蒸气压，因此受热后不经熔化就可直接变为气体，冷凝时又转化为固体。固体物质的蒸气压与外压相等时的温度，称为该物质的升华点。在升华点时，不但在晶体表面，而且在其内部也发生了升华，作用很剧烈，易将杂质带入升华产物中。为了使升华只发生在固体表面，通常总是在低于升华点的温度下进行，此时固体的蒸气压低于内压。

固液气的转化

三相点一般指的是，各种化学性质稳定的纯物质处于固、液、气三个相（态），在平衡共存时的三条平衡线的交点。三相共存时具有固定的温度和压强。所谓相，是指在某一系统中，具有相同成分及相同物理、化学性质的均匀物质部分。各相之间有明显的界面。如有冰、水组成的混合物，冰是一个相，水又是一个相，共有两个相。而酒精可以溶解于水，水和酒精的混和物却只有一个相。又如两块晶形相同的硫磺是一个相，而两块晶形不同的硫磺（如斜方晶形和单斜晶形）则是两个相。不同相之间的相互转变叫做相变。相变是十分普遍的物理过程。物态变化就是一种相变过程。例如，固体、液体之间的物态变化过程就是物质 从固相转变为液相（熔化）或液相转变为固相（凝固）的过程。

②在熔点时，固、液两相平衡共存。如果低于熔点，物质就以固相存在;如果高于熔点，物质就以液相存在。因此在p-T图中，画出熔点和压强的关系曲线OL（熔解曲线）就可以表示固、液两相存在的区域。在OL的左方是固相存在的区域，OL和OK（气相和液相平衡共存的相平衡曲线）之间，是液相存在的区域（如图），OL与0K的交点O叫做三相点。这一点既在熔解曲线上，又在汽化曲线上，因此三相可以平衡共存。

各种物质，处在三相点时都具有固定的温度和压强。如水的三相点温度为0.01℃，压强为4.58mmHg。

在三相点的压强以下加热物体时，物体由固态不经过液态而直接转变为气态的过程。相反的过程叫做凝华。在升华过程中，外界要对固态物质中的分子做功，使其一方面克服与周围分子间的结合力，一方面克服固态物质的环境压强。单位质量物质升华时所吸收的热量叫做升华热，在三相点它等于熔解热与汽化热之和。升华时，和固体平衡的蒸气压强（即固体上方的饱和蒸气压）同温度的关系由克拉珀龙方程给出，在（T，p）图上由曲线OS表示。OS曲线上的点表示固、气两相平衡共存的状态。

其中气体的质量为m，摩尔质量为M，则气体的摩尔數就是ν= 。这时，气体的状态方程就称之为克拉珀龙方程。

因此，从图中可知，只要我们知道某种物质的三相点的压强和温度，确定物质在蒸汽压强下改变温度，即可实现由固态向气态的直接转化。

生活中常见的升华方式

（1）常压升华：在正常压强下固体的升华过程。

（2）常温升华：即在正常温度下固体的升华过程。

（3）真空升华：又称减压升华，由于升华与固体蒸气压和外压的相对大小有关，降低外压可以降低升华温度，在常压下不能升华或升华很慢的物质可以采用真空升华。真空升华还可防止被升华的物质因温度过高而分解或在升华时被氧化。金属镁和钐、三氯化钛、苯甲酸、糖精等都可用此法提纯。

（4）低温升华

1976年，J.W.米切尔提出低温升华技术，即将温度和压力维持在升华物质的三相点以下，使它在很低的压力（几毫米汞柱）下升华，经冷凝后捕集在冷阱中而与杂质分离。此法操作简单，产品纯度很高，例如很难用一般方法提纯成高纯试剂的过氧化氢，用此法提纯，一次即可将钴、铬、铜、铁、锰、镍等杂质从1000ng/mL降至0.4～2ng/mL。

（作者单位：1长安大学理学院2西安市曲江第一中学）