Wie kommt man von fest zu gasförmig?

Der direkte Weg vom Festen ins Gasförmige: Sublimation – mehr als nur Trockeneis

Die meisten Stoffe durchlaufen beim Übergang vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand einen flüssigen Zwischenzustand. Wasser beispielsweise schmilzt zuerst zu Wasser und verdampft dann. Doch es gibt eine bemerkenswerte Ausnahme: die Sublimation. Dieser faszinierende Prozess beschreibt den direkten Übergang eines Stoffes vom festen Aggregatzustand in den gasförmigen, ohne die flüssige Phase zu durchlaufen.

Die treibende Kraft hinter der Sublimation ist die Energiezufuhr. Die Teilchen im festen Stoff sind durch relativ starke intermolekulare Kräfte aneinander gebunden, die in einem regelmäßigen Kristallgitter angeordnet sind. Um in den gasförmigen Zustand überzugehen, benötigen diese Teilchen eine erhebliche Energiemenge. Diese Energie kann in Form von Wärme, aber auch durch eine Verringerung des äußeren Drucks bereitgestellt werden. Erreicht ein Teilchen durch diese Energiezufuhr eine genügend hohe kinetische Energie, kann es die Bindungskräfte im Festkörper überwinden und in den Gaszustand entweichen.

Trockeneis, also festes Kohlendioxid, ist das wohl bekannteste Beispiel für Sublimation. Bei Normaldruck sublimiert es bereits bei -78,5 °C, ohne vorher zu schmelzen. Die beobachtbare “Verdampfung” von Trockeneis ist in Wirklichkeit ein Sublimationsprozess. Die weißen “Dämpfe”, die man sieht, sind tatsächlich kondensiertes Wasser aus der Umgebungsluft, das durch die Kälte des sublimierenden Kohlendioxids abkühlt und sichtbar wird.

Sublimation ist jedoch kein Phänomen, das sich auf Trockeneis beschränkt. Viele andere Stoffe zeigen unter bestimmten Bedingungen Sublimation. Beispiele hierfür sind:

• Kampfer: Der charakteristisch riechende Kampfer sublimiert langsam bei Raumtemperatur. Dieser Prozess ist verantwortlich für den typischen Geruch, der von Kampferkugeln ausgeht.
• Jod: Festes Jod sublimiert relativ leicht, wodurch sich violette Jod-Dämpfe bilden. Diese Eigenschaft wird oft in chemischen Experimenten genutzt.
• Naphthalin: Ähnlich wie Kampfer findet auch bei Naphthalin (Mottenkugeln) Sublimation statt.

Die Geschwindigkeit der Sublimation hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter:

• Temperatur: Eine höhere Temperatur führt zu einer schnelleren Sublimation.
• Druck: Ein niedrigerer Druck begünstigt die Sublimation. Im Vakuum sublimieren viele Stoffe deutlich schneller.
• Oberfläche: Eine größere Oberfläche des festen Stoffes ermöglicht eine schnellere Sublimation, da mehr Teilchen gleichzeitig die Oberfläche verlassen können.

Die Sublimation findet in der Natur und in technischen Anwendungen eine breite Verwendung. Sie spielt beispielsweise eine Rolle in der Bildung von Schnee- und Eisstrukturen, bei der Gefriertrocknung von Lebensmitteln und in verschiedenen chemischen Verfahren. Das Verständnis dieses faszinierenden Phasenübergangs ist daher nicht nur für die Wissenschaft, sondern auch für zahlreiche technische Anwendungen von großer Bedeutung.