不融化就直接消失的固体：升华（Sublimation）

和冰淇淋一起装在盒子里的干冰，过一段时间就会消失得无影无踪。如果是普通的冰，融化后会积成一摊水，可是放过干冰的地方一点也不湿，只有白色的雾气袅袅升起，然后便什么都没有了。固体没有经过液体，直接变成了气体。

像这样固体跳过液态、直接变成气体的现象，称为“升华（Sublimation）”。反过来，气体不经过液体、直接变成固体的现象，称为“凝华（Deposition）”。在韩语中，这一相反的过程长期以来也被称作升华，因此至今两种说法仍并存使用。

本文将依次介绍升华发生的原理与条件，干冰、雪、萘等生活中遇到的升华，冷冻干燥和提纯等利用升华的技术，以及处理会升华的物质时需要了解的要点。

固体中的分子因为相互吸引的力而被固定在原位。受热后，分子振动得更加剧烈，其中能量足够的分子会挣脱邻近分子的吸引，逃逸到空气中。这个过程需要热量，所以升华是从周围吸收热量的吸热变化。升华所需的热量等于熔化所需的热量与沸腾所需的热量之和。

严格来说，所有固体都会一点点地升华。只是大多数固体升华得太慢，很难察觉。要让升华明显地发生，从固体表面逸出的蒸气压力必须高于周围空气中同一种物质的压力。

这里的关键是三相点（Triple Point）。三相点是固体、液体、气体能够共存的温度和压力。如果周围压力低于三相点的压力，这种物质就不能以液体形式存在，受热的固体不会融化，而是直接变成气体。像碳和砷这样三相点压力非常高的物质，在普通压力下很难变成液体，加热时大多会直接升华。

升华发生的地方比我们想象的要近。下面来看几个典型的例子。

（1）干冰
干冰是冻结的二氧化碳固体。二氧化碳的三相点约为5.1个大气压、零下56.6摄氏度，因此在1个大气压下不能变成液体。所以在大气压下，干冰在零下78.5摄氏度时不会融化，而是直接变成气体。这时冒出的白色雾气并不是二氧化碳本身，而是变冷的空气中的水蒸气凝结成的小水滴。

（2）雪和冰
水的三相点压力约为612帕斯卡，远低于大气压，但当空气非常干燥时，即使在零下的天气里，雪和冰也会一点点地升华。这就是为什么寒冷天气持续时，积雪没有融化的痕迹却在逐渐减少。升华在冰川的消融中也起着一定作用。

（3）萘
过去放在衣柜里的樟脑丸，其成分萘的分子间吸引力较弱，即使在室温下也会慢慢升华。樟脑丸随着时间推移越变越小，就是这个原因。

升华在地球之外也会发生。彗星靠近太阳时，表面的冰升华，连同尘埃一起喷出，形成包围彗星的朦胧彗发和长长的彗尾。在火星的极地，冬季大气中的二氧化碳冻结，堆积成干冰层，到了春天又重新升华回到大气中。

升华在工业和研究领域是一种有用的工具。

冷冻干燥（Freeze-drying）：先把食品或药物冻结，再降低压力，让冰直接变成水蒸气散去。由于不需要大量加热，能很好地保留味道、形状和成分，因此被用于制作速溶咖啡、果干以及疫苗等药品。
升华提纯（Sublimation Purification）：在真空中加热混有杂质的固体，只有会升华的物质变成气体，并在冰冷的表面上重新凝结成纯净的晶体。提纯需要极高纯度的有机电子材料时也会使用这种方法。
热升华转印（Dye-sublimation Printing）：用热和压力压印以特殊墨水印刷的纸张，染料会变成气体，渗入涤纶面料或带涂层的马克杯中。这样印出的图案不易开裂或剥落。

刑事侦查中也会利用升华。轻轻加热碘，它会升华成紫色的蒸气，这种蒸气会附着在纸上残留指纹的油脂成分上，让原本看不见的指纹显现出来。

升华是固体悄无声息地变成气体的现象，因此危险不容易被察觉。尤其是干冰，仅1千克升华就会产生数百升二氧化碳气体，最好遵守以下几点。

（1）不要密封
如果把干冰放进盖紧的瓶子或塑料瓶里，膨胀的气体压力可能会使容器爆裂。

（2）保持通风
如果在狭窄的车内或封闭的房间里放置大量干冰，二氧化碳可能会积聚，导致呼吸困难，所以要放在通风良好的地方。

（3）不要徒手触摸
皮肤接触零下78.5摄氏度的固体可能会冻伤，请使用手套或夹子。

即使是同一种物质，压力升高后情况也会不同。只要施加高于三相点的压力，干冰也能熔化成液态二氧化碳。也就是说，升华并不是物质固定不变的性质，而是由温度和压力共同决定的结果。

跳过熔化过程的升华告诉我们，物质并不总是按照固体、液体、气体的顺序变化。看着眼前消失的固体，同时想一想它所处的温度和压力，这正是深入理解物质状态变化的化学思维的第一步。

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