「昇華」を水分子シミュレーターで理解しよう！[化学入門]

2022-05-12　 物質の状態

前回記事では、「固体」「液体」「気体」の各状態について解説しました。

今回はその各状態間の変化である「昇華」について解説していきます！

おさらい：水分子の各状態

固体 = 水素結合等でガチガチに固まった状態

物質の温度が低い場合、分子は死んだように動かない状態になります。そうなると、水素結合やその他の力が強く働き、ガチガチに分子がくっついた状態になるんです。これこそが「固体」という状態なんです！

そして、この固体の状態は「分子が動いて出ていく力　＜　互いの分子の結合力」の条件下で形成されます。

物質の状態2: 液体 = 完全な拘束状態からは抜け出したが、まだ分子間の力で引き寄せあっている状態

次に液体です。氷は0度になると、溶けて水になりますよね。これは「分子が動いて出ていく力　＞　互いの分子の結合力」となり、その束縛から抜け出して動きだした状態と言えます！

ただ、完全に開放されたわけじゃないんです。水分子は互いに近いところをウロチョロと動き回れるようになりますが、互いの分子間で引き寄せ合う力が影響するので、完全に自由とはいえないような動きになります。

温度が高くなるほど、分子の動きが速くなっていき、その影響度合いが低くなってきます。

物質の状態3: 気体 = 互いの分子間の力から抜け出して、素早く動き回れる

次に気体です。水は100度になると、水蒸気に変わります。これは、「温度が高まって、水分子間の互いを結ぶ力から抜け出した状態」ともいえます。

液体状態では残っていた互いにくっつこうとする力から抜け出した、「自由な状態」になるわけです！完全ではないですが、力を受けない「等速運動」に近い動きになります！もちろん、温度が高まるとさらに高速に分子は動くようになります。

状態間の遷移

「融解/凝固」「沸騰/凝縮」

物質には「固体」「液体」「気体」がありますが、主として↓のように固体から液体、液体から気体に変化します。
このときの変化を↓のように「融解/凝固」「沸騰/凝縮」といいます！ここについては、以前の記事でシミュレーターを用いて解説しています！

「昇華」

↑の変化は、日常世界の水で起こる変化の流れです。実は水でない物質や、日常とはかけ離れた状況では、「固体⇔気体」で直接状態変化を起こすのです！水でいうと氷から水蒸気にいきなり変化するイメージです。

この変化を「昇華」といいます。「固体→気体」「気体→固体」両方とも昇華というんです。

状態図で「昇華」はいつ起きるのか確認してみよう！

では、「昇華」はいつ起きるのでしょうか？実は融点/沸点は気圧によって変わり、状況によって固体→気体にいきなり変化するんです！

その変化は↓の「状態図」で通常表されます。↓は水の状態図です。

状態図は「横軸を温度、縦軸を気圧として、物質の状態がどうなるか表した図」です。気圧は、日常の環境を1としたものです。気圧2ならば、2倍の力で空気から押されるイメージです。縦軸は1目盛ごとに気圧が10倍になっていることに注意して下さい。

この図をみると、何度で状態変化が起きるのかが一目瞭然です。

例えば日常の1気圧で見ると… 「0℃になると固体→液体」「100℃になると液体→固体」になるのが分かります。

そのような視点でみてみると、、、気圧がとてつもなく低い環境では↓のような変化になることが分かります。
液体になることなく、固体から気体に昇華するんです！

状態図を見れば分かる通り、水の場合は気圧が日常の1/1000倍など超低気圧のときしかこの変化は起こりません。
状態図は物質によって変わり、二酸化炭素では日常的な気圧でも固体→気体への昇華がおきます。

この「昇華」をシミュレーターを用いて解説していきます！

昇華シミュレーター

昇華は↑の説明のとおり、「固体→気体」間の変化を指すものです。今回はこの昇華が0℃で起きる場合をシミュレーターで確認してみましょう！

「昇華して分子の束縛を解くためには、エネルギー（熱量）が必要」となることが重要です。通常、コチラの比熱のページで解説しているとおり、氷や水の温度をあげるためには質量に比例した熱量が必要です。

しかし、昇華のためには、その温度を上げるのとは別に熱量が必要になるんです！
この動きをシミュレーターで確認してみましょう！

まとめ：特殊環境下では固体⇔気体で状態変化を起こす！（昇華）

今回は「固体⇔気体」で、どのような変化が起こるかについて解説しました。

日常では、水は固体⇒液体と液体⇒気体の変化しか起きませんが、特殊環境下では固体⇒気体にいきなり変化するんです。

この昇華が起きるかどうかは、状態図を見れば確認できます。↓の図を見れば、温度を変化したときにどのように水が状態変化を起こすか分かるんですね！

　
↑の図をみればわかるとおり、温度だけでなく、気圧を変えたときにも同様に物質は状態変化を起こします。次回記事では気圧/温度を変えた時の状態変化をシミュレーターで確認できるようにする予定です！
　

[関連記事] 化学結合

1．水素結合

2．固体/液体/気体

3．「融解/凝固」「沸騰/凝縮」

4．氷は何故水に浮くのか

5．「昇華」(本記事)

6．「状態図」温度と気圧による状態変化