化学における定義によると、堆積とは、物質が中間の液相を通過せずに気体状態から固体状態に直接移行する相転移を指します。沈着は、固体が直接気体に移行する相転移である昇華の反対です。
沈着と昇華は、6 つの一次相転移のうちの 2 つであり、残りの 4 つは、凍結 (液体から固体)、融解 (固体から液体)、蒸発 (液体から気体)、凝縮 (気体から液体) です。
沈着が起こるためには、化学システムが環境にエネルギーを放出しなければなりません。これにより、環境への熱の放出が伴うため、堆積は発熱反応になります。堆積の一般的な例には、冷たい表面での霜の形成や、雲の中での氷の結晶の形成が含まれます。どちらの場合も、水蒸気は液相を通過することなく、気体状態から直接固体の水氷に変換されます。
相転移と状態変化
沈着は相転移 .相転移とは、物質がある状態から別の状態 (固体、液体、または気体) に変化する過程を指します。すべての物質は相転移を起こす可能性があり、物質がとる物質の状態は周囲の温度と圧力に依存します。相転移は、化学結合の切断や形成を伴わないため、化学反応ではなく物理反応です。 相図 物質の熱力学的特性をグラフで表したもので、その物質が物質の 3 つの古典的状態のいずれかに存在する温度と圧力を示しています。
たとえば、水の状態図を考えてみましょう。水は、地球上の物質の 3 つの古典的な状態すべてに自然に存在する唯一の既知の物質であるように思われるため、相転移を理解するための良いテスト ケースです。 3 つの領域 S、L、および V は、水がそれぞれ固体、液体、または気体の状態で存在する温度と圧力を表します。ポイント TP はトリプル ポイントを表します これは、物質が3つの状態すべてで平衡状態にある温度と圧力です。これらの領域を分割する線は 相境界を表します;水がある状態から次の状態に移行する温度と圧力。ポイント CP は臨界点を表します 、超臨界流体と呼ばれる液体/気体ハイブリッド状態で水が存在し始める温度と圧力。便宜上、相転移は通常、1気圧の標準圧力、または地球の大気の平均圧力で記述されます。
各相転移、蒸発、融解、沸騰などには、システムからの潜熱の導入または放出が必要です。たとえば、液体の水を蒸発させて蒸気にするのに必要な潜熱は 697.3 cal/g です。 1 グラムの水を蒸発させるには、697.3 カロリーの熱エネルギーの入力が必要です。潜熱値が正の場合、環境から熱を吸収する必要があるため、反応は吸熱反応です。値が負の場合、システムは状態を変更するためにそれだけ多くのエネルギーを放出する必要があるため、反応は発熱です。
したがって、状態図によれば、析出は系の状態がL領域を通らずにS領域とV領域を隔てる線をまたぐ物理的変化として理解することができます。堆積が発生するためには、システムが潜熱を環境に放出する必要があります。水蒸気から熱を奪うと、不規則に並んだ気体分子が一定の形と構造をとります。水蒸気が固体の氷になるのに必要な潜熱は、-677.0 カロリー/グラムです。したがって、1 グラムの水蒸気を 1 グラムの氷に沈着させるには 677 カロリーの熱を放出する必要があるため、沈着は発熱反応です。
デポジションの例
堆積の最も明白な例は、水蒸気から雲の中に雪が形成されることです。地球上の液体源からの水は、地球の大気中に蒸発します。大気中の氷点下の温度により、水蒸気が直接氷の結晶に沈着し、それが地球に沈殿します。これは、霜が窓や金属などの冷たい表面に直接形成されるのと同じメカニズムでもあります。大気中の水蒸気が冷たい表面と接触します。水蒸気の熱は冷たい表面に吸収され、霜が形成されます。
さまざまな化学蒸気も付着して、表面に膜を形成する可能性があります。たとえば、家屋から寄生虫を駆除するために使用される虫爆弾は、ガス状の殺虫剤を家屋に放出します。殺虫剤は家庭の表面に接触し、害虫を捕まえて殺す粘着性のフィルムに付着します。同じ論理が、さまざまな工業用化学コーティング プロセスの背後にあります。コーティング物質は固体としてチャンバ内に配置され、気体状態に加熱される。気体分子は、コーティングされる表面と接触し、均一な層に堆積します。同じプロセスが、実験室用の化学物質を精製するために一般的に使用されています。化合物の堆積は、化合物をその化学成分の純粋なサンプルに分割するために使用されます。
堆積は、二酸化炭素からドライアイスを形成するためにも使用されます。二酸化炭素ガスがチャンバーに入れられ、温度と圧力が変更されます。ガス状の二酸化炭素は、約 5.1 気圧、-79°C で固体になります。二酸化炭素が昇華して気体に戻ると、ドライアイス特有の霧効果が生じます。
沈着は、吸入された汚染物質による肺の閉塞の主なメカニズムでもあります。例えば、たばこの煙の沈着は、COPD 患者の肺に見られるタール状の残留物を形成します。特定の新しい COPD 治療では、沈着プロセスを利用して、肺から直接投与できる薬物を作成しようとしています。
