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碘的昇華與凝華
資料來源:科學研習月刊49-3

文/余甄紘 蕭次融 大學入學考試中心
目的
觀察封閉試管(安瓶)內碘的昇華與凝華現象。
材料
含有碘的安瓶 1個
透明杯(200 mL) 2個
熱水壺 1個
說明
物質的狀態隨溫壓而變,常見的狀態有三:固態、液態、氣態。以最常見的水為例,在常溫常壓時,水為液 態;降溫則可變為固態的冰(0。C);溫 度越高,水越容易變成氣態的水。物 質三態的關係可用圖一來表示: 在室溫(例如2 5 。C),若在一個透明 的玻璃罐裡,放入一塊冰後蓋緊罐 蓋,這時所看到的是一塊固態的冰。 隨著時間,冰塊會慢慢熔化(或熔 解),就可以看到冰塊與液態的水同 時存在。等到冰塊完全熔解,這時所 看到的H 2 O是液態的水,看不到固態 的冰,但是確實有看不見的氣態水同 時存在。在室溫,水的蒸氣壓約為2 5 毫米汞柱,亦即水蒸氣的分壓,但是 肉眼看不到。燒開水時所看到的白煙 是看不見的氣態水凝結下來的微小水 滴。因此本實驗很特別,不僅可以看 到固態的碘昇華變成氣態的碘(紅紫 色),而且也可以看到氣體的碘凝華 變成固態的碘,亦即可以看到昇華與 凝華現象。
圖一 物質的三態關係圖 圖一 物質的三態關係圖
 
操作步驟
1 .取一個透明杯,倒入約1 5 0 mL的熱水(溫度愈高愈好)後,放入含有 碘的封閉試管(簡稱安瓶),不久 即見安瓶底部顯現紫紅色的氣體, 如圖二,照片一。 2 .取另一個透明杯,倒入約1 5 0 mL的 冷水(溫度愈冷愈好)後,取出熱 水杯裡的安瓶,將其倒過來放入冷 水杯內,不久即見安瓶內無色透明 的紫紅色氣體逐漸消失,而浸在冷 水內安瓶的管壁上出現小小的暗紫 色晶體,如圖三。 3 .取出冷水杯內的安瓶後,再次放入 熱水杯內,又見紅紫色氣體,然後 取出安瓶,倒放於冷水杯,安瓶又 呈無色透明,而浸入冷水的那一端 試管壁又會有暗紫色晶體出現。 4 .重複步驟3數次,觀察碘的昇華與凝華。
圖二 碘固體的昇華 照片一 安瓶置於熱水中 圖三 碘氣體的凝華
圖二 碘固體的昇華 照片一 安瓶置於熱水中 圖三 碘氣體的凝華
 
想一想
1 .暗紫色晶體如何變成紅紫色的氣體?這個過程叫做什麼?
2 .紅紫色氣體如何變回暗紫色的晶體?這個過程叫做什麼?
3 .有哪些物質,在室溫就可以由固態不經液態,直接變成氣態的?
教師手冊封閉試管的製作
1 .取一支試管,用火焰先均勻加熱離 試管口約3公分的地方,如圖四, 然後改為強火焰繼續加熱,俟玻璃 軟化後移出火焰,拉成細頸,如圖 五。2 .從試管口的細頸,放入一些小顆粒 的碘晶體(約10毫克)。 3 .先用酒精燈均勻加熱整體試管後, 固定位置繼續加熱試管底的碘晶 體。 4 .觀察碘晶體氣化後,趕走試管內空 氣的情形。 5 .俟試管內充滿碘氣體後,同時用強 火焰加熱試管細頸部分,如圖六, 以封閉試管口,即得含有碘的安 瓶。 註:碘蒸氣的顏色明顯,而碘氣體又重, 其往管口進行的前線(f r o n t)易見。因此 前線一到細頸,就立即封口,可以控制碘 蒸氣,防止其跑出來。不過,最好還是要 在通風櫃中操作,以防萬一漏氣遭害。
照片二 市售的安瓶與封了口的安瓶
照片二 市售的安瓶與封了口的安瓶
圖四 先均勻加熱 圖五 強熱後拉成細管
圖四 先均勻加熱 圖五 強熱後拉成細管
6 .封閉的試管(亦即安瓶)要讓其慢 慢冷卻,冷後安瓶的管壁上會有碘 凝結出來,而管內成為相當低的真空,有利於碘晶體的昇華。 註:要將試管拉成細頸,要用玻璃細工 用的瓦斯燈, 而且需要有相當的技術。 後來筆者(蕭)找到裝注射液用的安瓶 (amp o u l e或amp u l e)如照片二。照片中 有一支尚未封口的安瓶,是市售的原樣。 另一支已封口的是已重複使用過數次的安 瓶,可見安瓶的一端有碘的顆粒,另一端 則有凝華下來的細小碘固體。
圖六 試管內充滿碘氣體後封閉管口
圖六 試管內充滿碘氣體後封閉管口
補充說明
1 .這個實驗用到的碘只約1 0毫克,不僅量少,而且因其封閉在玻璃 試管內,不會溢出,可以重複使用,因此不消耗器材,符合微型實驗與環保的要求。 2 .關於物質由固態不經液態,直接變成氣態,最常見的例子是乾冰,亦即:
 方法
由上式的變化可見物質的本質並沒有改變,只有物質的狀態改變,顯然 這是物理變化,由固態的CO2,亦即乾 冰變成氣態的二氧化碳,這在常溫常 壓下是常見的,但是反過來由氣態的 CO2要變成固態的的CO2則不多見,不 像一小塊乾冰置於室內,不久即不見 了那麼簡單。
要二氧化碳由氣態變成 固態,通常需要特別的器具,在加壓 與冷卻之下行之,或讓加壓的二氧化 碳自鋼瓶噴進布袋,達到絕熱膨脹, 急速降溫以得之。因此本篇所介紹的 實驗:
 方法
可說是最簡便的方法,只要製好含 有碘的封閉試管,可重複使用,可讓 學生人手一個,個別動手做實驗,易 於觀察昇華與凝華的現象。
3 .物質由固態直接變成氣態稱為昇華 ( s u b l ima t i o n ),毫無疑問,但其反 過來的過程,亦即物質由氣態直接 變成固態,昔時也稱為昇華,兩 者不分。不過,近來已有教科書 將物質由氣態變成固態改稱為凝華 (depos i t ion)。 4 .在常溫常壓下,由固態會直接變成 氣態的物質,亦即會昇華的物質, 在生活中較常見的除了乾冰之外, 還有樟腦。
 
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