昇華（相転移）

昇華とは、物質が液体状態を経ずに固体から気体状態に直接変化することです。^[1]昇華の動詞形はsublime、またはそれほど好まれないsublimateです。^[2]昇華は昇華によって得られる生成物を指すこともあります。^{[2] [3]}昇華が急速に起こる点（詳細は下記参照）は臨界昇華点、または単に昇華点と呼ばれます。注目すべき例としては、室温および大気圧でのドライアイスの昇華や、加熱による 固体ヨウ素の昇華などがあります。

昇華の逆の過程は沈着（逆昇華とも呼ばれる）であり、物質は液体状態を経ることなく気体から固体相に直接移行する。^[4]

技術的には、すべての固体は昇華する可能性がありますが、ほとんどの通常の条件下では、ほとんど検出できないほど非常に低い速度で昇華します。常圧では、ほとんどの化合物と元素は、異なる温度で 3 つの異なる状態をとります。これらの場合、固体から気体への遷移には中間の液体状態が必要です。ここで言う圧力は、物質の部分 圧であり、システム全体の全圧 (大気圧など) ではありません。したがって、蒸気圧が同じ物質の周囲の部分圧よりも高ければ、どの固体でも昇華することができ、場合によってはかなりの速度で昇華します (例: 0 °C よりわずかに低い水の氷)。

炭素やヒ素などの一部の物質の場合、固体からの昇華は液体からの蒸発よりもはるかに達成可能であり、液体として得ることは困難です。これは、状態図における三重点の圧力（物質が液体として存在できる最低圧力に相当）が非常に高いためです。

昇華は熱の吸収によって引き起こされ、一部の分子が隣接する分子の引力を克服して気相に脱出するのに十分なエネルギーを提供します。このプロセスには追加のエネルギーが必要なため、昇華は吸熱変化です。昇華エンタルピー（昇華熱とも呼ばれる）は、融解エンタルピーと蒸発エンタルピーを加算することで計算できます。

昇華の定義は単純ですが、何が昇華とみなされるかについては混乱が生じることがよくあります。

気化（液体から気体へ）は 2 種類に分けられます。液体の表面での気化は蒸発と呼ばれ、液体の内部に泡が形成される沸点での気化は沸騰と呼ばれます。ただし、固体から気体への変化にはそのような区別はなく、どちらの場合も常に昇華と呼ばれます。

明確にするために、2 つの対応するケースを区別する必要があります。相図を参照すると、固体と気体の境界、三重点、または固体と液体の境界の左側で発生する昇華 (蒸発における蒸発に相当) は、緩やかな昇華と呼ばれることがあります。この場合、物質は速度に関係なく、徐々に昇華します。固体と気体の境界 (臨界昇華点) (蒸発における沸騰に相当) で発生する昇華は、急速な昇華と呼ばれることがあります。この場合、「緩やかな」と「急速な」という言葉は特別な意味を持ち、もはや昇華の速度を説明するものではありません。^[要出典]

昇華という用語は、特に物理的な状態の変化を指し、化学反応で固体が気体になることを説明するために使用されるものではありません。たとえば、固体の塩化アンモニウムが加熱されると塩化水素とアンモニアに分解しますが、これは昇華ではなく化学反応です。同様に、パラフィンワックスを含むろうそくが燃焼して二酸化炭素と水蒸気になるのは昇華ではなく、酸素との化学反応です。

昇華は歴史的に、固体から気体への転移（より正確な定義では昇華）とそれに続く気体から固体への転移（沈着）という2段階の相転移を説明する一般的な用語として使用されています。^{[5] [6]}（下記参照）

示されている例は、特定の条件下で顕著に昇華する物質です。

固体二酸化炭素（ドライアイス）は、三重点（例えば、大気圧で温度 -78.5 °C）より低い場合、固体と気体の境界（昇華点）に沿って急速に昇華しますが、三重点（すなわち、5.1 atm、-56.6 °C）より高い圧力と温度では、固体と液体の境界（融点）に沿って液体 CO ₂に溶けることがあります。

雪や氷は、固体と液体の境界（融点）（通常 0 °C）以下の温度、および 612 Pa（0.00604 atm）の三重点圧力以下の部分圧で、ゆっくりと昇華します。^[7]凍結乾燥では、脱水する材料を凍結し、その水分を減圧または真空下で昇華させます。寒波の間に雪原から雪が失われるのは、多くの場合、日光が雪の上層に直接作用するためです。氷の昇華は、氷河の氷の侵食摩耗の要因であり、氷河学ではアブレーションとも呼ばれます。^[要出典]

ナフタレンは防虫剤などの殺虫剤によく含まれる有機化合物で、ファンデルワールス力のみで結合している非極性分子で構成されているため、容易に昇華します。ナフタレンは常温常圧で徐々に昇華する固体で、^[8]非常に高い速度で昇華し、臨界昇華点は約80 °C (176 °F) です。^[9]低温では、蒸気圧が 53 °Cで1 mmHgと十分に高いため 、^[10]固体のナフタレンが気体に蒸発します。冷たい表面では、ナフタレン蒸気は固まって針状の結晶を形成します。

ヨウ素は徐々に昇華し、標準大気圧で穏やかに加熱すると目に見える煙を発生します。ヨウ素の融点と沸点の間の温度に温度を制御することで、大気圧で液体ヨウ素を得ることができます。法医学では、ヨウ素蒸気は紙に潜む指紋を明らかにすることができます。^[11]

大気圧下では、ヒ素は加熱すると徐々に昇華し、887 K（614 °C）で急速に昇華する。^[12]

カドミウムと亜鉛は他の一般的な材料よりも昇華しやすいため、真空中での使用には適していません。^[要出典]

昇華は、化学者が化合物を精製するために使用する技術です。通常、固体は昇華装置に入れられ、真空下で加熱されます。この減圧状態では、固体は揮発し、冷却された表面（コールドフィンガー）上で精製された化合物として凝縮し、不揮発性の不純物残留物が残ります。加熱が止まり真空が解除されると、精製された化合物は冷却表面から収集できます。^{[13] [14]} さらに高い精製効率を得るために、温度勾配が適用され、これによって異なる画分に分離することもできます。一般的なセットアップでは、制御された方法で徐々に加熱される真空ガラス管を使用します。物質の流れは、最初の物質が置かれたホットエンドから、ポンプスタンドに接続されたコールドエンドに向かいます。チューブの長さに沿って温度を制御することで、オペレーターは再凝縮ゾーンを制御でき、揮発性の高い化合物はシステムから完全に排出され（または別のコールドトラップで捕捉され）、中程度の揮発性化合物はそれぞれの揮発性に応じてチューブに沿って再凝縮し、非揮発性化合物はホットエンドに残ります。このタイプの真空昇華は、有機エレクトロニクス業界で使用される有機化合物の精製にも最適な方法です。有機エレクトロニクス業界では、消費者向け電子機器やその他の用途の基準を満たすために非常に高い純度（多くの場合、99.99% 以上）が求められます。^[要出典]

古代の錬金術は、現代の化学と医学の発展に貢献した原始科学であり、錬金術師は基本的な実験技術、理論、用語、実験方法の構造を発展させました。昇華は、物質が加熱されて蒸気になり、その後すぐに加熱媒体（通常はレトルトまたは蒸留器）の上部と首に沈殿物として集まるプロセスを指すために使用されていましたが、他の同様の非実験室的な遷移を説明するためにも使用できます。これは、錬金術の著者であるバジル・バレンタインやジョージ・リプリーによって、また『哲学のバラ』の中で、マグナム・オプスの完成に必要なプロセスとして言及されています。ここで、昇華という言葉は、固体と気体の間の実験室での相転移に似た「物体」と「精神」の交換を説明するために使用されました。バレンタインは、1646年に出版された『アンチモンの勝利の馬車』の中で、植物の昇華を利用してワインやビールのスピリッツを分離するスパギリックと比較しました。 ^[15]リプリーは昇華の神秘的な意味合いをより示唆する言葉を使い、このプロセスには肉体の霊的化と精神の肉体化という二重の側面があることを示しました。^[16]彼は次のように書いています。^[17]

そして昇華は三つの理由で行われます。第一の
理由は、肉体を霊的にすることです。
第二の理由は、霊が肉体となり、
肉体と一体となり、一体となることです。
第三の理由は、その汚れた原点から昇華することです。
霊が浄化され、その中の硫黄のような塩辛さが
軽減され、それが伝染します。

昇華エンタルピーは、等分配定理を用いて一般的に予測されてきた。格子エネルギーがパッキングエネルギーの約半分であると仮定すると、^{[説明が必要]}、次の熱力学的補正を適用して昇華エンタルピーを予測することができる。1モルの 理想気体を想定すると、熱力学的環境（圧力と体積）に対する補正が得られ、pV = RTとなるため、1RTの補正となる。次に、振動、回転、並進に対する追加の補正を適用する必要がある。等分配定理から、気体の回転と並進はそれぞれ最終状態に1.5RT寄与するため、+3RTの補正となる。結晶の振動と回転は、初期状態にそれぞれ3RT寄与するため、−6RTとなる。RT補正を合計すると、−6RT + 3RT + RT = −2RTとなる。^[18]これにより、おおよその昇華エンタルピーは次のようになる。剛体を想定すると、エントロピー項についても同様の近似値が得られる。 ^{[19] [20]} ${\displaystyle \Delta H_{\text{昇華}}=-U_{\text{格子エネルギー}}-2RT}$

昇華印刷は、ポリエステルやポリマーコーティングされた基材で機能するフルカラーアートワークを使用したデジタル印刷技術です。デジタル昇華とも呼ばれるこのプロセスは、衣類、看板、バナー、携帯電話のカバー、銘板、コーヒーマグ、昇華しやすい表面を持つその他のアイテムなどのノベルティアイテムの装飾によく使用されます。このプロセスは、固体に熱と圧力を加え、液体相を通過せずに吸熱反応によってガスに変える昇華の科学を利用しています。^{[引用が必要]}

昇華印刷では、独自の昇華染料が、圧電プリントヘッドを介して液体ゲルインクを介して「転写」紙に転写されます。インクはこれらの高リリースインクジェット紙に付着し、昇華印刷プロセスの次のステップで使用されます。デジタルデザインが昇華転写シートに印刷されると、昇華する基材とともにヒートプレスに配置されます。^{[引用が必要]}

紙から基材に画像を転写するには、時間、温度、圧力を組み合わせた熱プレス プロセスが必要です。熱プレスは、基材に応じて変化するこの特別な組み合わせを適用して、昇華染料を分子レベルで基材に「転写」します。昇華に使用される最も一般的な染料は、華氏 350 度で活性化します。ただし、最適な色を得るには、通常、華氏 380 度から 420 度の範囲が推奨されます。^{[引用が必要]}

昇華プロセスの結果、ほぼ永久的な高解像度のフルカラー プリントが実現します。染料は、スクリーン印刷や衣服への直接印刷のように局所的に塗布されるのではなく、分子レベルで基材に浸透するため、通常の条件下では、プリントがひび割れたり、色あせたり、基材から剥がれたりすることはありません。^[要出典]

• アブレーション
• 昇華エンタルピー
• 凍結乾燥
• 冷凍焼け– 昇華を伴う一般的なプロセス
• 相図
• 相転移

• ウィキメディア・コモンズの昇華に関連するメディア