化学における昇華とは、物質が中間の液相を通過することなく、固体から気体に状態が変化する相転移を指します。昇華は、物質が液体の状態で存在するには大気圧が低すぎる場合に発生します。昇華は蒸着の逆で、ガスがすぐに固体状態になる相転移です。物質が固体から気体の状態に昇華するかどうかは、物質の三重点、つまり物質が物質の 3 つの状態として平衡状態にある温度と圧力に依存します。
物質は、物質の三重点よりも低い温度と圧力でのみ昇華します。
昇華は、固体材料を介した熱の吸収により発生します。固体材料は構成分子を励起する熱を吸収します。励起された分子は、他の分子の引力から逃れるのに十分な速さで移動し、大気中で昇華します。実際、同じメカニズムが液体の気体への蒸発を促進します。温度と圧力に応じて、逃げた分子は溶けて液体になるか、昇華して気体になります。昇華は状態の物理的な遷移であるため、化学反応が固体反応物を気体生成物に変換するプロセスを指すものではありません。燃焼は反応物の酸化によって引き起こされる化学反応であるため、木材を燃やすような燃焼反応は昇華としてカウントされません。昇華にはエネルギーの投入が必要なため、吸熱反応です。
相図と昇華
物質の相転移特性は相図で表すことができます。状態図は、物質がどのように相を変化させるかを視覚的に表現したものです。これは、温度/圧力と、それらの温度と圧力で物質がとる特定の物質の状態との関係を示す 2-D グラフです。たとえば、常圧および常温では、水は固体、液体、または気体として存在できます。対照的に、二酸化炭素は、通常の温度と圧力で気体としてのみ存在できます。
相図上の線は、物質がある状態から別の状態に相転移する点に対応しています。したがって、上の図では、昇華とは、下の線で分割された 2 つのセクション間の遷移を指します。通常の圧力と温度では、ほとんどの化合物は液体状態を経て固体から気体に移行する必要があります。ただし、物質の蒸気圧の影響により、水のような多くの一般的な物質は、通常の大気圧ではかなり低い温度で昇華します。
昇華エンタルピーは、標準の温度と圧力で 1 モルの物質を固体状態から気体状態に移行させるために必要な熱の形のエネルギー量の尺度です。 kJ/mol で測定される昇華エンタルピーは、物質の融解エンタルピーと気化エンタルピー、それぞれ物質を固体から液体、液体から気体に変換するのに必要なエネルギーを加えることで計算できます。したがって、ある意味では、昇華は、固体物質の融解と蒸発が同時に起こるようなものと考えることができます.
昇華の使用と例
昇華の最も一般的な例は、ドライアイスが二酸化炭素ガスに昇華することです。固体二酸化炭素は、標準圧力で -78.5°C で昇華するため、ドライアイスのブロックが開いていると非常に顕著に昇華するため、フォグ マシンでドライアイスを使用します。二酸化炭素の三重点の圧力は非常に高いため、液体二酸化炭素の蒸発によってガス状の二酸化炭素を得るのは困難です。
ナフタレンは、弱いファン デル ワールス力によってのみ結合された非極性分子で構成されているため、室温で非常に簡単に昇華する、蛾の殺虫剤に含まれる別の固体物質です。一般に、物質の化学結合の強度が弱いほど、固体が昇華して気体になるのに必要なエネルギー入力が少なくなります。標準的な温度と圧力で昇華する他の天然物質には、ヨウ素とヒ素が含まれます。ただし技術的には、適切な温度と圧力があれば、どんな物質も昇華します。
昇華は、実験室で化合物や物質を精製する手段としても使用されています。固体材料は、人工的な真空に置かれ、加熱されます。真空中の低圧と高温により、純粋な物質が昇華し、冷却された表面に集まります。次に、冷却された表面から純粋な物質を集めることができます。昇華速度を制御すると、サンプルの相対的な純度が制御されます。中世の錬金術師は、この技術を使用して物質を互いに分離し、昇華のプロセスを身体の神秘的な「精神化」と見なしました。
昇華とその逆沈着のプロセスは、地球上の水循環にとって重要です。液体の水からの蒸発に加えて、大気は寒冷地や高地からの水氷の昇華から水を得ます。 「チヌーク風」は、標高が高く気温が低いときに発生する極度に乾燥した突風で、太陽光に加えて、雪が直接水蒸気に昇華します。昇華は、ロッキー山脈西部やエベレスト山のような寒く乾燥した地域から除雪する一般的な方法です。昇華した蒸気は大気中に集められ、凝縮して雲状の水と氷の結晶になります。昇華は、氷河アブレーションの主要なメカニズムの 1 つでもあります。氷河が形成される寒冷で乾燥した低圧地域の水の氷は、太陽からのエネルギーによって昇華します。結果として生じる質量の損失により、氷河の大きな塊が崩壊する可能性があります。
