Đá khô được đặt kèm trong hộp kem sẽ biến mất không để lại dấu vết sau một thời gian. Nếu là nước đá, nó hẳn đã tan chảy và đọng thành nước, nhưng chỗ từng đặt đá khô không hề ướt, chỉ có làn sương trắng bốc lên rồi tan hết. Chất rắn đã chuyển thẳng thành khí mà không đi qua trạng thái lỏng.
Hiện tượng chất rắn bỏ qua trạng thái lỏng và chuyển thẳng thành khí như vậy được gọi là “sự thăng hoa (Sublimation)”. Ngược lại, hiện tượng chất khí chuyển thẳng thành chất rắn mà không qua trạng thái lỏng được gọi là “sự ngưng kết (Deposition)”. Trong tiếng Hàn, từ lâu quá trình ngược này cũng được gọi là thăng hoa, nên đến nay cả hai cách gọi vẫn được sử dụng.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu nguyên lý và điều kiện xảy ra sự thăng hoa; những trường hợp thăng hoa thường gặp trong đời sống như đá khô, tuyết và naphthalene; các công nghệ ứng dụng sự thăng hoa như sấy thăng hoa và tinh chế; cùng những điều cần biết khi sử dụng các chất có khả năng thăng hoa.
Chất rắn biến mất mà không nóng chảy: Thế giới của sự thăng hoa
Nguyên lý và điều kiện xảy ra sự thăng hoa
Các phân tử trong chất rắn bị giữ tại chỗ bởi lực hút lẫn nhau. Khi nhận nhiệt, các phân tử dao động mạnh hơn, và những phân tử có đủ năng lượng sẽ thắng được lực hút của các phân tử lân cận để thoát ra không khí. Vì quá trình này cần nhiệt nên thăng hoa là một biến đổi thu nhiệt, lấy nhiệt từ môi trường xung quanh. Nhiệt lượng cần cho sự thăng hoa bằng tổng nhiệt lượng cần để nóng chảy và nhiệt lượng cần để sôi.
Nói một cách chính xác, mọi chất rắn đều thăng hoa từng chút một. Tuy nhiên, ở phần lớn các chất, quá trình này diễn ra quá chậm nên khó nhận thấy. Để sự thăng hoa diễn ra rõ rệt, áp suất của hơi có xu hướng thoát ra từ bề mặt chất rắn phải cao hơn áp suất của chính chất đó trong không khí xung quanh.
Một yếu tố quan trọng ở đây là điểm ba (Triple Point). Điểm ba là nhiệt độ và áp suất mà tại đó chất rắn, chất lỏng và chất khí có thể cùng tồn tại. Khi áp suất xung quanh thấp hơn áp suất tại điểm ba, chất đó không thể tồn tại ở trạng thái lỏng, nên chất rắn khi nhận nhiệt sẽ chuyển thẳng thành khí mà không nóng chảy. Những chất có áp suất điểm ba rất cao như carbon hay asen khó chuyển thành chất lỏng ở áp suất thông thường, và khi được đun nóng, phần lớn sẽ thăng hoa.
Sự thăng hoa trong đời sống
Sự thăng hoa diễn ra gần gũi với chúng ta hơn ta tưởng. Hãy cùng xem một số ví dụ tiêu biểu.
(1) Đá khô
Đá khô là carbon dioxide được làm đông thành chất rắn. Điểm ba của carbon dioxide nằm ở khoảng 5.1 atm và âm 56.6 độ, nên ở áp suất 1 atm, chất này không thể trở thành chất lỏng. Vì thế, ở áp suất khí quyển, nó chuyển thẳng thành khí tại âm 78.5 độ mà không nóng chảy. Làn sương trắng bốc lên lúc này không phải bản thân carbon dioxide, mà là hơi nước trong không khí bị làm lạnh ngưng tụ thành những giọt nước nhỏ.
(2) Tuyết và băng
Áp suất điểm ba của nước vào khoảng 612 pascal, thấp hơn nhiều so với áp suất khí quyển, nhưng nếu không khí rất khô, tuyết và băng vẫn thăng hoa từng chút một ngay cả khi nhiệt độ dưới mức đóng băng. Đây là lý do lớp tuyết tích tụ vơi dần mà không để lại dấu vết tan chảy dù thời tiết lạnh vẫn kéo dài. Sự thăng hoa cũng góp phần làm hao mòn các sông băng.
(3) Naphthalene
Naphthalene, thành phần của băng phiến thường được đặt trong tủ quần áo, có lực hút giữa các phân tử yếu nên thăng hoa từ từ ngay ở nhiệt độ phòng. Đó là lý do viên băng phiến nhỏ dần theo thời gian.
Sự thăng hoa còn diễn ra ngoài Trái Đất. Khi sao chổi đến gần Mặt Trời, băng trên bề mặt thăng hoa và phun ra cùng với bụi, tạo thành phần đầu mờ bao quanh sao chổi cùng chiếc đuôi dài. Tại các vùng cực của sao Hỏa, carbon dioxide trong khí quyển đóng băng vào mùa đông, tích tụ thành lớp đá khô, rồi lại thăng hoa trở về khí quyển khi mùa xuân đến.
Các công nghệ ứng dụng sự thăng hoa
Sự thăng hoa trở thành một công cụ hữu ích trong công nghiệp và nghiên cứu.
- Sấy thăng hoa (Freeze-drying): Thực phẩm hoặc thuốc được làm đông rồi giảm áp suất để băng chuyển thẳng thành hơi nước và thoát đi. Do không cần gia nhiệt nhiều, phương pháp này giữ được hương vị, hình dạng và thành phần tốt, nên được dùng để sản xuất cà phê hòa tan, trái cây sấy và các dược phẩm như vắc xin.
- Tinh chế bằng thăng hoa (Sublimation Purification): Khi đun nóng chất rắn có lẫn tạp chất trong chân không, chỉ chất có khả năng thăng hoa chuyển thành khí, rồi kết tinh trở lại trên bề mặt lạnh thành các tinh thể tinh khiết. Phương pháp này cũng được dùng để tinh chế vật liệu điện tử hữu cơ đòi hỏi độ tinh khiết rất cao.
- In chuyển nhiệt thăng hoa (Dye-sublimation Printing): Khi ép giấy đã in bằng mực đặc biệt dưới tác dụng của nhiệt và áp suất, thuốc nhuộm chuyển thành khí rồi thấm vào vải polyester hoặc cốc có lớp phủ. Cách này tạo ra hình in khó bị nứt hay bong tróc.
Sự thăng hoa cũng được ứng dụng trong điều tra khoa học hình sự. Khi được làm nóng nhẹ, iốt thăng hoa thành hơi màu tím; hơi này bám vào thành phần dầu mỡ của dấu vân tay còn lưu trên giấy, làm hiện rõ những dấu vân tay trước đó không nhìn thấy.
Những điều cần biết khi sử dụng chất có khả năng thăng hoa
Thăng hoa là hiện tượng chất rắn âm thầm chuyển thành khí nên khó nhận biết nguy hiểm. Đặc biệt, chỉ 1 kilôgam đá khô thăng hoa cũng tạo ra hàng trăm lít khí carbon dioxide, vì vậy nên tuân thủ những điều sau.
(1) Không đậy kín
Nếu cho đá khô vào chai thủy tinh hoặc chai nhựa PET có nắp đóng chặt, áp suất của lượng khí tăng lên có thể khiến chai nổ vỡ.
(2) Thông gió
Nếu để một lượng lớn trong xe chật hẹp hoặc phòng đóng kín, carbon dioxide có thể tích tụ gây khó thở, vì vậy hãy đặt ở nơi thông thoáng.
(3) Không chạm bằng tay trần
Da tiếp xúc với chất rắn ở âm 78.5 độ có thể bị bỏng lạnh, vì vậy hãy dùng găng tay hoặc kẹp gắp.
Ngay cả với cùng một chất, tình hình cũng thay đổi khi áp suất tăng lên. Đá khô cũng có thể nóng chảy thành carbon dioxide lỏng nếu được đặt dưới áp suất cao hơn áp suất tại điểm ba. Như vậy, thăng hoa là kết quả được quyết định đồng thời bởi nhiệt độ và áp suất, chứ không phải một đặc tính cố định của chất.
Sự thăng hoa bỏ qua quá trình nóng chảy cho thấy vật chất không phải lúc nào cũng lần lượt chuyển qua các trạng thái rắn, lỏng rồi khí. Khi nhìn một chất rắn biến mất trước mắt và đồng thời nghĩ đến nhiệt độ cùng áp suất mà chất đó đang chịu, chúng ta đang thực hiện bước đầu tiên của tư duy hóa học để hiểu sâu về sự chuyển trạng thái của vật chất.
