Spezifische Sublimationswärme und Resublimationswärme
Neben den meist im Alltag beobachtbaren Phänomenen des Schmelzens und Verdampfens von bspw. Wasser gibt es auch Stoffe die direkt vom festen in den gasförmigen Zustand übergehen bzw. bei Abkühlung direkt aus der gasförmigen Phase erstarren. Ein solcher Stoff ist bspw. Kohlenstoffdioxid! Unter normalen Bedingungen ist Kohlenstoffdioxid bei Raumtemperatur zwar gasförmig, jedoch lässt sich auch dieser Stoff soweit abkühlen bis er völlig erstarrt ist. Dies ist bei Temperaturen unterhalb -78,5 °C der Fall. In diesem Zustand liegt das Kohlenstoffdioxid als erstarrter Festkörper vor. Während des Abkühlvorganges ist das Kohlenstoffdioxid allerdings nicht verflüssigt worden! Es scheiden sich bei -78,5 °C aus der Gasphase direkt feste Partikel aus der Gasphase aus. Umgekehrt wird bei Wärmezufuhr das gefrorene Kohlenstoffdioxid auch wieder direkt in den gasförmigen Zustand übergehen ohne sich dabei zu verflüssigen.
Abbildung: Feste Kohlenstoffdioxid (Trockeneis)
Abbildung: Gasförmiges Kohlenstoffdioxid
Man spricht bei einer solchen Aggregatzustandsänderung, die direkt vom festen in den gasförmigen Zustand führt von Sublimation. Der umgekehrte Vorgang, bei dem der Stoff direkt vom gasförmigen in den flüssigen Zustand überführt wird, nennt sich hingegen Resublimation.
Anmerkung: Da das Kohlenstoffdioxid im gefrorenen Zustand eine ähnliche weiße Struktur wie Eis aufweist, jedoch aufgrund der Sub- bzw. Resublimation nicht flüssig bzw. "nass" wird, spricht man auch von Trockeneis. Diese Bezeichnung ist insofern unglücklich gewählt, da es sich bei Trockeneis nicht um gefrorenes Wasser sondern eben um erstarrtes Kohlenstoffdioxid handelt.
Nicht nur Kohlenstoffdioxid hat die Eigenschaft unter normalen Bedingungen zu sublimieren bzw. zu resublimieren. Auch Iod zeigt dieses Verhalten und beginnt sogar bereits bei Raumtemperatur zu sublimieren. Der normalerweise auftretende Sublimationsprozess schließt jedoch ein Schmelz- und Verdampfungsprozess nicht von vorne herein aus. So kann auch Iod prinzipiell zum Schmelzen und sogar zum Verdampfen gebracht werden. Hierzu muss der Stoff nur schnell genug erwärmt und somit der Schmelzpunkt von 114 °C rasch erreicht werden bevor das gesamte Iod restlos sublimiert ist [fahre hierzu mit der Maus über die Abbildung]. Auch ein anschließendes Verdampfen im klassischen Sinne ist möglich, wenn der Siedepunkt von 184 °C nur schnell genug erreicht wird.
Interaktive Abbildung: Sublimationsprozess von Iod
Um den Sublimationsvorgang des Iodes zu demonstrieren sollte dennoch eine erhöhte Temperatur verwendet werden, da das Sublimieren unter diesen Umständen in höherem Maße erfolgt und deutlicher sichtbar wird. Das Erwärmen in einem Reagenzglas mit untergestelltem Bunsenbrenner ist jedoch aus den oben genannten Gründen nicht zu empfehlen. Denn in diesem Fall setzt aufgrund der hohen Temperaturen und der raschen Wärmezufuhr klassischerweise ein schmelzen und verdampfen ein und nicht etwa ein sublimieren wie beabsichtigt. Es empfiehlt sich deshalb das Iod indirekt in einem erhitzten Wasserbad zu erwärmen. Damit ist eine maximale Temperaturobergrenze von 100 °C gegeben und sichergestellt, dass der Schmelzpunkt des Iods nicht überschritten wird. In einem solchen Experiment beobachtet man dann tatsächlich ein sublimieren des Iods und nicht etwa ein schmelzen bzw. ein verdampfen.
Abbildung: Erwärmung von Iod im Wasserbad
Schließlich lässt sich auch für den Sublimationsvorgang eine spezifische Sublimationswärme \(q_{sub}\) angeben, die Aufschluss darüber gibt wie viel Wärmeenergie \(Q_{sub}\) (Sublimationswärme) zugeführt werden muss, um eine bestimmte Masse \(m_{sub}\) eines vorliegenden Stoffes zu sublimieren:
\begin{align}\;\;\;\;\;
&\boxed{q_{sub} = \frac{Q_{sub}}{m_{sub}}} ~~~[q_{sub}]=\frac{\text{J}}{\text{kg}}~~~~~\text{spezifische Sublimationswärme}\\[5px]
&\boxed{Q_{sub} = q_{sub} \cdot m_{sub}} \\[5px]
\end{align}
Auch dabei gilt wiederum, dass für den umgekehrten Fall der Resublimation dieselbe Wärmemenge wieder abgeführt werden muss. Spezifische Sublimationswärme \(q_{sub}\) und spezifische Resublimationswärme \(q_{res}\) sind demnach wieder identisch.
\begin{align}\;\;\;\;\;
&\boxed{q_{sub} = q_{res}} \\[5px]
\end{align}
Interaktive Abbildung: Spezifische Sublimationswärme und Resublimationswärme