アイスクリームの箱に一緒に入っていたドライアイスは、しばらくすると跡形もなく消えてしまいます。氷なら溶けて水たまりができるはずですが、ドライアイスがあった場所は濡れもせず、白い煙が立ちのぼって終わります。固体が液体を経ずに、そのまま気体になってしまったのです。
このように固体が液体の状態を飛ばして直接気体に変わる現象を「昇華（Sublimation）」といいます。反対に、気体が液体を経ずに直接固体になる現象は「凝華（Deposition）」と呼ばれます。韓国語ではこの逆の過程も長く昇華と呼んできたため、今でも二つの言葉が併用されています。
本記事では、昇華が起こる原理と条件から、ドライアイスや雪、ナフタレンのように生活の中で出会う昇華、凍結乾燥や精製のように昇華を利用する技術、そして昇華する物質を扱うときに知っておきたい点まで、順に見ていきます。
溶けずに消える固体、昇華の世界
昇華が起こる原理と条件
固体の中の分子は、互いに引き合う力によってその場にとどめられています。熱を受けると分子はより激しく揺れ動き、その中で十分なエネルギーを持つ分子は隣の分子の引力を振り切って空気中へ抜け出します。この過程には熱が必要なので、昇華は周囲から熱を奪う吸熱変化です。昇華に必要な熱は、融解に必要な熱と沸騰に必要な熱を足したものと同じです。
厳密にいえば、すべての固体は少しずつ昇華しています。ただ、ほとんどはあまりに遅いため気づきにくいのです。昇華が目に見えるほど起こるには、固体の表面から抜け出そうとする蒸気の圧力が、周囲の空気中にある同じ物質の圧力よりも高くなければなりません。
ここで重要になるのが三重点（Triple Point）です。三重点とは、固体・液体・気体が共存できる温度と圧力のことです。周囲の圧力が三重点の圧力より低いと、その物質は液体として存在できないため、熱を受けた固体は溶けずにそのまま気体になります。炭素やヒ素のように三重点の圧力が非常に高い物質は、通常の圧力では液体にするのが難しく、加熱するとほとんどが昇華してしまいます。
暮らしの中で出会う昇華
昇華は思ったより身近なところで起きています。代表的な例を見てみましょう。
（1）ドライアイス
ドライアイスは二酸化炭素を凍らせた固体です。二酸化炭素の三重点は約5.1気圧、マイナス56.6度なので、1気圧では液体になれません。そのため大気圧では、マイナス78.5度で溶けずに直接気体になります。このとき立ちのぼる白い煙は二酸化炭素そのものではなく、冷やされた空気中の水蒸気が小さな水滴になったものです。
（2）雪と氷
水の三重点の圧力は約612パスカルで大気圧よりはるかに低いのですが、空気がとても乾燥していると、氷点下の天気でも雪や氷が少しずつ昇華します。寒い日が続いているのに、積もった雪が溶けた跡もなく減っていくのはこのためです。氷河が削られていくのにも昇華が一役買っています。
（3）ナフタレン
かつてタンスに入れていた防虫剤の成分であるナフタレンは、分子同士が引き合う力が弱いため、常温でもゆっくり昇華します。時間がたつと防虫剤が小さくなるのはこのためです。
昇華は地球の外でも起こります。彗星が太陽に近づくと、表面の氷が昇華してちりと一緒に噴き出し、彗星を包むぼんやりとしたコマと長い尾をつくります。火星の極地方では、冬に大気中の二酸化炭素が凍りついてドライアイスの層が積もり、春になると再び昇華して大気へ戻ります。
昇華を利用する技術
昇華は産業や研究の現場で役に立つ道具になります。
- 凍結乾燥（Freeze-drying）：食品や薬を凍らせたあと圧力を下げ、氷を直接水蒸気にして飛ばします。熱をあまり加えないため味や形、成分をよく保つことができ、インスタントコーヒーや乾燥果物、ワクチンなどの医薬品をつくるのに使われます。
- 昇華精製（Sublimation Purification）：不純物の混じった固体を真空中で加熱すると、昇華する物質だけが気体になり、冷たい表面にきれいな結晶として再び付着します。非常に高い純度が求められる有機電子材料を精製するときにもこの方法が使われます。
- 昇華転写（Dye-sublimation Printing）：特殊なインクで印刷した紙を熱と圧力で押し付けると、染料が気体になってポリエステル生地やコーティングされたマグカップの中に染み込みます。割れたりはがれたりしにくい印刷になります。
科学捜査でも昇華が活用されています。ヨウ素を軽く温めると紫色の蒸気に昇華し、この蒸気が紙に残った指紋の油分に付着して、目に見えなかった指紋を浮かび上がらせます。
昇華する物質を扱うときに知っておきたい点
昇華は固体が静かに気体へ変わる現象なので、危険に気づきにくいものです。特にドライアイスは1キログラムが昇華するだけで数百リットルの二酸化炭素ガスが発生するため、次のことを守るのがよいでしょう。
（1）密閉しない
ドライアイスをふたをしっかり閉めた瓶やペットボトルに入れると、増えた気体の圧力で容器が破裂することがあります。
（2）換気する
狭い車内や閉め切った部屋に大量に置くと、二酸化炭素がたまって呼吸が苦しくなることがあるので、風通しのよい場所に置きます。
（3）素手で触らない
マイナス78.5度の固体に皮膚が触れると凍傷になるおそれがあるので、手袋やトングを使います。
同じ物質でも、圧力を高めると事情が変わります。ドライアイスも、三重点より高い圧力をかければ液体の二酸化炭素に溶かすことができます。昇華は物質の決まった性質ではなく、温度と圧力がともに決める結果だというわけです。
溶ける過程を飛ばす昇華は、物質がいつも固体、液体、気体の順をたどるわけではないことを教えてくれます。目の前で消えていく固体を見ながら、その物質が置かれた温度と圧力を一緒に思い浮かべてみること、それが物質の状態変化を深く理解する化学的な思考の第一歩です。
