Kurs: Budowa i właściwości materii · Moduł 07

Sublimacja i resublimacja — lód, który znika bez kałuży

PPrezentacja dla nauczyciela

Kostka lodu zapomniana w zamrażarce po kilku tygodniach jest mniejsza, a pod nią nie ma ani kropli wody. Śnieg na mroźnym spacerze znika, choć temperatura mocno trzyma poniżej zera. Te zjawiska wyjaśniają dwie przemiany, w których ciało stałe i gaz spotykają się bez udziału cieczy: sublimacja i resublimacja.

Sublimacja

Sublimacja to przejście ciała stałego bezpośrednio w gaz. Ciecz nie pojawia się w tym procesie ani na chwilę. Lód zamienia się w parę wodną, suchy lód — w dwutlenek węgla, a jod — w fioletowy gaz.

Żeby to zrozumieć, popatrz na cząsteczki. W lodzie są one ułożone w regularną sieć i drgają wokół swoich miejsc. Cząsteczki na powierzchni mają mniej sąsiadów, więc łatwiej im się wyrwać. Gdy dostaną wystarczająco dużo energii, opuszczają kryształ i od razu unoszą się w powietrzu jako gaz. Nie muszą najpierw topić się w kroplę.

Sublimacja zachodzi nie tylko w temperaturze topnienia. Lód może sublimować także wtedy, gdy jest znacznie zimniej niż 0 °C — po prostu wolniej. Sprzyjają jej: duża powierzchnia kryształu, suche powietrze, wiatr oraz niskie ciśnienie. Przy niskim ciśnieniu cząsteczkom łatwiej opuścić kryształ, dlatego w próżni lód sublimuje szybciej. Suche powietrze odgrywa tu ważną rolę: para wodna nie zalega nad lodem, więc kolejne cząsteczki mają miejsce, żeby uciec.

Dlatego kostki lodu w zamrażarce zmniejszają się, a jedzenie czasem wysycha i pokrywa się białymi plamami. Zimne powietrze w nowoczesnej zamrażarce jest suche i krąży dzięki wentylatorowi. Lód powoli przechodzi w parę, która jest usuwana na zewnątrz. Pod kostką nie powstaje kałuża, bo lód nigdy nie staje się cieczą.

Najbardziej widowiskowym przykładem jest suchy lód, czyli zestalony dwutlenek węgla. Pod normalnym ciśnieniem sublimuje w temperaturze około $-78{,}5^\circ\text{C}$ i nie topi się w ogóle. Biała mgła, która unosi się nad nim w powietrzu, to nie gaz — dwutlenek węgla jest bezbarwny. To skroplona para wodna z otoczenia, która oziębia się przy zimnym lodzie.

Nie myl sublimacji z parowaniem. Parowanie dotyczy cieczy: woda z kałuży zamienia się w parę. Sublimacja zaczyna się od ciała stałego. Nie jest też topnieniem, bo topnienie kończy się cieczą. W obu przypadkach zmienia się stan skupienia, ale droga jest inna.

Resublimacja

Resublimacja to przemiana odwrotna: gaz przechodzi bezpośrednio w ciało stałe, znów z pominięciem cieczy. Mówi się o niej też „sublimacja odwrotna”. Cząsteczki gazu tracą energię, zbliżają się do siebie i układają w regularną sieć kryształu.

Żeby resublimacja nastąpiła, para wodna musi się ochłodzić i mieć na czym osiąść. Potrzebne są jądra krystalizacji: pyłek, drobinka kurzu, źdźbło trawy, szyba albo gałąź. Na takim podłożu cząsteczki tworzą najpierw maleńkie kryształki, a potem coraz grubszą warstwę lodu.

Tak powstaje szron. W mroźną noc trawa, dach samochodu i szyby wychładzają się poniżej 0 °C. Para wodna z powietrza osadza się na nich bezpośrednio jako kryształki lodu. Szron nie jest zamarzniętą rosą: rosa musiałaby najpierw być cieczą. Tymczasem para przechodzi w lód od razu.

Podobnie powstają wzory lodowe na szybach. W domu jest ciepło i wilgotno, a szyba od zewnątrz jest zimna. Para wodna z wnętrza dociera do zimnej tafli i resublimuje, tworząc „kwiaty lodu”. Im większa wilgotność i im zimniejsza szyba, tym bogatsze wzory.

W chmurach para wodna resublimuje na drobinkach pyłu i kryształkach lodu. Kryształy rosną, zderzają się i łączą w płatki śniegu. Śnieg jest więc lodem powstałym z pary wodnej, a nie po prostu zamarzniętą wodą w chmurze. W przemyśle resublimację wykorzystuje się na przykład do osadzania cienkich warstw na powierzchniach.

Gdzie spotykamy te zjawiska?

Sublimację i resublimację łatwo zauważyć w codziennym życiu, choć często nie zwracamy na nie uwagi.

• Śnieg na mrozie. Cienka warstwa śniegu znika czasem przy -5 °C, szczególnie na dachu, w słońcu i przy wietrze. To sublimacja, nie topnienie.
• Zamrażarka. Kostki lodu zmniejszają się, a pieczywo i mięso mogą wysychać. Suche, krążące powietrze sprzyja sublimacji.
• Pranie na mrozie. Mokre ubranie najpierw zamarza, a potem wysycha, choć woda nie może ściekać. Lód sublimuje do powietrza.
• Szron i wzory na szybach. Para wodna resublimuje na zimnych powierzchniach.
• Śnieg w chmurach. Kryształki lodu powstają z pary wodnej na jądrach krystalizacji.

W technice największą rolę odgrywa suchy lód. Ma temperaturę około -78,5 °C, więc świetnie chłodzi. Używa się go do transportu mrożonek, lodów, szczepionek i próbek biologicznych. Sublimuje bez kałuży, więc opakowanie pozostaje suche. W laboratoriach i przemyśle spożywczym stosuje się liofilizację: najpierw zamraża się produkt, a potem w obniżonym ciśnieniu usuwa się z niego lód przez sublimację. Tak powstają kawa instant, suszone owoce i leki.

Suchy lód daje też widowiskową mgłę na scenie. Wrzucony do ciepłej wody szybko sublimuje, a para wodna z powietrza skrapla się w chłodnej mgle. To efekt, nie dym. Podobnie można czyścić powierzchnie strumieniem suchego lodu, który zestala zabrudzenia i odrywa je bez użycia wody.