Mengapa Ais Kering Tidak Mencair Menjadi Cecair?

Ais kering bukan air beku. Ia ialah karbon dioksida pepejal, CO₂(s). Pada tekanan atmosfera biasa, karbon dioksida pepejal tidak boleh menjadi cecair yang stabil apabila dipanaskan. Sebaliknya ia berubah terus daripada pepejal kepada gas, iaitu pemejalwapan. Pada tekanan 1 atmosfera, suhu pemejalwapan normal karbon dioksida ialah kira-kira −78.5 °C.

Pepejal boleh terus menjadi gas

Kita biasa melihat urutan pepejal, cecair, kemudian gas. Ais air mencair menjadi air sebelum air menyejat atau mendidih. Namun ini bukan laluan wajib bagi semua bahan pada semua tekanan. Karbon dioksida ialah contoh yang jelas: ais kering menyublim terus menjadi gas tanpa peringkat cecair.

Mengapa tekanan menentukan laluan?

Untuk memahami ais kering, kita memerlukan rajah fasa. Rajah ini memetakan keadaan bahan yang stabil pada gabungan suhu dan tekanan tertentu. Kawasan berbeza mewakili pepejal, cecair dan gas, manakala garis antara kawasan menunjukkan keadaan keseimbangan antara dua fasa.

Bagi karbon dioksida, tiga sempadan fasa bertemu pada titik tiga sekitar −56.6 °C dan 5.11 atm. Di bawah tekanan titik tiga itu, cecair tidak tersedia sebagai fasa keseimbangan yang stabil. Pada 1 atm, yang jauh lebih rendah daripada 5.11 atm, pemanasan CO₂ pepejal membawa keadaan merentasi sempadan pepejal-gas, maka ia menyublim.

Ini bermakna ayat bahawa karbon dioksida tidak boleh menjadi cecair adalah salah jika disebut tanpa syarat. Karbon dioksida boleh menjadi cecair apabila suhu dan tekanannya sesuai. Yang betul ialah karbon dioksida cecair tidak stabil pada tekanan atmosfera biasa.

Mengapa dipanggil ais kering?

Nama itu merujuk kepada pemerhatian mudah: pepejal ini boleh menghilang tanpa meninggalkan lopak cecair seperti ais air. Pemejalwapan memerlukan tenaga, kerana karbon dioksida pepejal menyerap tenaga daripada persekitarannya untuk menjadi gas. Sebab itu ais kering digunakan sebagai bahan penyejuk. Entalpi pemejalwapan karbon dioksida bergantung pada suhu, dengan nilai sekitar 25 hingga 26 kJ mol⁻¹ dalam julat suhu ini. Tenaga ini digunakan untuk perubahan fasa, bukan untuk menaikkan suhu ais kering secara berterusan.

Asap putih itu bukan gas karbon dioksida yang kelihatan

Apabila ais kering dimasukkan ke dalam air, kita sering melihat kabus putih tebal. Karbon dioksida gas tidak berwarna. Kabus itu terbentuk apabila keadaan sangat sejuk berhampiran ais kering menyejukkan udara lembap sehingga titisan air halus terbentuk. Perkataan asap kurang tepat kerana pembakaran tidak diperlukan. Dalam air yang lebih panas, pemindahan tenaga ke ais kering lebih cepat, maka kadar pemejalwapan meningkat dan lebih banyak kabus boleh terhasil.

Adakah ais kering sentiasa menyublim pada tepat −78.5 °C?

Tidak semudah itu. Nilai kira-kira −78.5 °C ialah suhu pemejalwapan normal, iaitu suhu keseimbangan pepejal-gas apabila tekanan CO₂ ialah 1 atm. Keadaan sebenar permukaan ketulan di udara terbuka dipengaruhi oleh tekanan separa CO₂, pemindahan haba dan aliran udara. Maka −78.5 °C ialah nilai rujukan termodinamik, bukan dakwaan bahawa setiap titik pada setiap ketulan sentiasa tepat pada suhu itu.