碘的昇華與凝華

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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

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

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


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

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：

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：

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。