승화 (화학)

승화(昇華, 영어: sublimation)는 액체 상태를 거치지 않고 고체에서 기체 상태로 직접 물질이 전이하는 현상이다.^[1] 승화가 빠르게 일어나는 지점(자세한 내용은 아래 참조)을 임계 승화점 또는 간단히 승화점이라고 한다. 주목할 만한 예로는 실온 및 대기압에서의 드라이아이스 승화와 가열 시 고체 아이오딘의 승화가 있다.

승화의 역과정은 증착(역승화라고도 함)으로, 물질이 액체 상태를 거치지 않고 기체에서 고체 상으로 직접 전이하는 것이다.^[2]

엄밀히 말하면 모든 고체는 승화할 수 있지만, 대부분은 일반적인 조건에서 거의 감지할 수 없을 정도로 매우 낮은 속도로 승화한다. 일반적인 압력에서 대부분의 화합물과 원소는 서로 다른 온도에서 세 가지 다른 상태를 가진다. 이 경우 고체에서 기체 상태로의 전이는 중간 단계인 액체 상태를 필요로 한다. 여기서 언급된 압력은 전체 시스템의 총 압력(예: 대기압)이 아니라 해당 물질의 부분 압력이다. 따라서 고체의 증기 압력이 해당 물질의 주변 부분 압력보다 높으면 어떤 고체든 승화할 수 있으며, 어떤 경우에는 승화가 상당한 속도로 일어난다(예: 0 °C 바로 아래의 얼음).

탄소 및 비소와 같은 일부 물질의 경우, 고체 상태에서의 승화가 액체 상태에서의 기화보다 훨씬 더 쉽게 이루어지며 액체 상태로 얻기가 어렵다. 이는 해당 물질의 상평형 그림에서 삼중점의 압력(물질이 액체로 존재할 수 있는 최저 압력에 해당)이 매우 높기 때문이다.

승화는 열 흡수로 인해 발생하며, 이는 일부 분자가 이웃 분자의 인력을 극복하고 증기 상으로 탈출하기에 충분한 에너지를 제공한다. 이 과정은 추가적인 에너지를 필요로 하므로 승화는 흡열 변화이다. 승화열(또는 승화 엔탈피)은 융해열과 기화열을 더하여 계산할 수 있다.

혼동

승화의 정의는 단순하지만, 무엇을 승화로 간주하는지에 대해 혼동이 생기는 경우가 많다.

기화와의 잘못된 대응

기화(액체에서 기체로)는 두 가지 유형으로 나뉜다. 액체 표면에서의 기화는 증발이라 하고, 끓는점에서 액체 내부의 기포 형성과 함께 일어나는 기화는 끓음이라고 한다. 그러나 고체에서 기체로의 전이에는 그러한 구분이 없으며, 두 경우 모두 항상 승화라고 부른다.

잠재적 구분

명확히 하기 위해 대응하는 두 경우 사이의 구분이 필요하다. 상평형 그림을 참조할 때, 고체-기체 경계의 왼쪽, 삼중점 또는 고체-액체 경계(기화의 증발에 해당)에서 발생하는 승화는 점진적 승화라고 부를 수 있으며, 속도에 관계없이 물질은 점진적으로 승화한다. 고체-기체 경계(임계 승화점)(기화의 끓음에 해당)에서 발생하는 승화는 급격한 승화라고 부를 수 있으며, 물질은 빠르게 승화한다. "점진적" 및 "급격한"이라는 단어는 이 문맥에서 특별한 의미를 지니며 더 이상 승화 속도를 설명하지 않는다.

화학 반응에 대한 오용

승화라는 용어는 특히 상태의 물리변화를 의미하며, 화학 반응에서 고체가 기체로 변하는 것을 설명하는 데 사용되지 않는다. 예를 들어, 고체 염화 암모늄을 가열할 때 염화 수소와 암모니아로 해리되는 것은 승화가 아니라 화학 반응이다. 마찬가지로 파라핀을 포함한 양초가 연소하여 이산화 탄소와 수증기가 되는 것은 승화가 아니라 산소와의 화학 반응이다.

역사적 정의

승화는 역사적으로 고체-기체 전이(보다 정밀한 정의의 승화)에 이어 기체-고체 전이(증착)가 일어나는 2단계 상전이를 설명하는 일반적인 용어로 사용되었다.^[3]^[4] (아래 역사적 용법 참조)

예시

표시된 예시는 특정 조건에서 뚜렷하게 승화하는 물질들이다.

이산화 탄소

고체 이산화 탄소(드라이아이스)는 삼중점 이하(예: 대기압에서 −78.5 °C의 온도)의 고체-기체 경계(승화점)를 따라 빠르게 승화하는 반면, 액체 CO₂로의 융해는 삼중점 이상의 압력과 온도(즉, 5.1 atm, −56.6 °C)에서 고체-액체 경계(녹는점)를 따라 발생할 수 있다.

물

눈과 얼음은 고체-액체 경계(녹는점, 일반적으로 0 °C) 이하의 온도와 612 Pa (0.00604 atm)의 삼중점 압력 이하의 부분 압력에서 낮은 속도로 점진적으로 승화한다.^[5] 동결 건조에서 탈수될 재료는 냉동되고 그 물은 감압 또는 진공 상태에서 승화된다. 추운 시기에 설원에서 눈이 줄어드는 현상은 종종 눈의 상층부에 직접 작용하는 햇빛으로 인해 발생한다. 얼음의 승화는 빙하학에서 융삭으로 알려진 빙하 얼음의 침식 마모의 한 요인이다.^[6]

나프탈렌

좀약과 같은 살충제에서 흔히 발견되는 유기 화합물인 나프탈렌은 반데르발스 힘에 의해서만 결합된 무극성 분자로 구성되어 있어 쉽게 승화한다. 나프탈렌은 표준 온도 압력에서 높은 속도로 점진적으로 승화하는 고체이며,^[7] 임계 승화점은 약 80 °C (176 °F)이다.^[8] 낮은 온도에서 증기압은 53 °C에서 1 mmHg로 충분히 높아,^[9] 고체 형태의 나프탈렌을 기체로 증발시킨다. 차가운 표면에서 나프탈렌 증기는 응고되어 바늘 모양의 결정을 형성한다.

아이오딘

아이오딘은 표준 대기 온도에서 완만하게 가열하면 점진적으로 승화하여 눈에 보이는 연기를 생성한다. 아이오딘의 녹는점과 끓는점 사이로 온도를 조절하여 대기압에서 액체 아이오딘을 얻는 것이 가능하다. 법과학에서 아이오딘 증기는 종이 위의 잠재 지문을 드러낼 수 있다.^[10]

기타 물질

대기압에서 비소는 가열 시 점진적으로 승화하며, 887 K (614 °C)에서 급격히 승화한다.^[11]

카드뮴과 아연은 다른 일반적인 재료보다 훨씬 더 많이 승화하므로 진공에서 사용하기 위한 재료로는 적합하지 않다.

승화에 의한 정제

승화는 화학자들이 화합물을 정제하기 위해 사용하는 기술이다. 고체는 일반적으로 승화 장치에 넣고 진공 상태에서 가열된다. 이렇게 낮아진 압력 하에서 고체는 휘발성을 띠며 냉각된 표면(콜드 핑거)에 정제된 화합물로 응축되어 휘발되지 않는 불순물 찌꺼기를 남긴다. 가열이 중단되고 진공이 제거되면 냉각 표면에서 정제된 화합물을 수집할 수 있다.^[12]^[13] 훨씬 더 높은 정제 효율을 위해 온도 기울기를 적용하여 서로 다른 분획을 분리할 수도 있다. 일반적인 설정은 제어된 방식으로 점진적으로 가열되는 진공 유리관을 사용한다. 물질의 흐름은 초기 물질이 놓인 뜨거운 끝에서 펌프 스탠드에 연결된 차가운 끝으로 향한다. 튜브 길이에 따른 온도를 제어함으로써 작업자는 재응축 영역을 제어할 수 있으며, 휘발성이 매우 강한 화합물은 시스템 밖으로 완전히 펌핑되거나(또는 별도의 콜드 트랩에 포획됨), 휘발성이 중간 정도인 화합물은 휘발성 차이에 따라 튜브를 따라 재응축되고, 휘발되지 않는 화합물은 뜨거운 끝에 남게 된다. 이러한 유형의 진공 승화는 소비자 가전 및 기타 응용 분야의 표준을 충족하기 위해 매우 높은 순도(종종 > 99.99%)가 필요한 유기 전자공학 산업에서 사용되는 유기 화합물 정제에 선호되는 방법이기도 하다.

역사적 용법

현대 화학과 의학의 발전에 기여한 연금술에서 연금술사들은 기초적인 실험실 기술, 이론, 용어 및 실험 방법의 구조를 개발했다. 승화는 물질을 가열하여 증기로 만든 다음 가열 매체(일반적으로 레토르트 또는 알렘빅)의 상부와 목 부분에 침전물로 즉시 모으는 과정을 지칭하는 데 사용되었지만, 다른 유사한 비실험적 전이를 설명하는 데에도 사용될 수 있었다. 바질 발렌틴 및 조지 리플리와 같은 연금술 저자들과 마그눔 오푸스 완성에 필요한 과정으로 《철학자의 장미원》(Rosarium philosophorum)에서 언급되었다. 여기서 승화라는 단어는 실험실에서의 고체와 기체 사이의 상전이와 유사한 "체"(body)와 "영"(spirit)의 교환을 설명하는 데 사용되었다. 발렌틴은 1646년에 출판된 그의 저서 《안티모니의 승리 전차》(Le char triomphal de l'antimoine)에서 포도주와 맥주에서 정수를 분리하는 데 식물 승화를 사용할 수 있는 스파지릭과 비교를 하기도 했다.^[14] 리플리는 승화의 신비로운 함축을 더 잘 나타내는 언어를 사용하여, 이 과정이 육체의 영성화와 영혼의 육체화라는 두 가지 측면을 가지고 있음을 나타냈다.^[15] 그는 다음과 같이 썼다.^[16]

승화는 세 가지 이유로 행해지나니,
첫째 이유는 육체를 신령하게 만들기 위함이요.
둘째는 영혼이 육체가 되어,
육체와 함께 고정되고 본질을 같이 하게 함이라.
셋째 이유는 더러운 근원으로부터 깨끗해지기 위함이니,
감염을 일으키는 유황의 짠 기운이
그 안에서 줄어들게 하려 함이라.

승화 예측

승화 엔탈피는 일반적으로 에너지 등분배법칙을 사용하여 예측되어 왔다. 격자에너지가 패킹 에너지의 약 절반이라고 가정하면, 승화 엔탈피를 예측하기 위해 다음과 같은 열역학적 보정을 적용할 수 있다. 1몰의 이상기체를 가정하면 pV = RT인 열역학적 환경(압력 및 부피)에 대해 1RT의 보정이 제공된다. 그런 다음 분자 진동, 회전 및 병진 운동에 대한 추가 보정을 적용해야 한다. 에너지 등분배법칙에 따라 기체 회전과 병진 운동은 최종 상태에 각각 1.5RT씩 기여하므로 +3RT 보정이 필요하다. 결정 진동과 회전은 초기 상태에 각각 3RT씩 기여하므로 -6RT이다. RT 보정값들을 합산하면 -6RT + 3RT + RT = -2RT가 된다.^[17] 이는 다음과 같은 근사 승화 엔탈피로 이어진다. 강체를 가정하면 엔트로피 항에 대해서도 유사한 근사치를 찾을 수 있다.^[18]^[19] $\Delta H_{\text{승화}}=-U_{\text{격자에너지}}-2RT$

염료 승화 인쇄

염료 승화 인쇄는 폴리에스테르 및 폴리머 코팅 기질과 호환되는 풀 컬러 삽화를 사용하는 디지털 인쇄 기술이다. 디지털 승화라고도 불리는 이 공정은 의류, 표지판 및 배너뿐만 아니라 휴대폰 케이스, 명판, 커피 머그 및 기타 승화가 용이한 표면을 가진 참신한 품목을 장식하는 데 흔히 사용된다. 이 공정은 고체에 열과 압력을 가해 액체 단계를 거치지 않고 흡열 반응을 통해 기체로 바꾸는 승화의 과학을 이용한다.

승화 인쇄에서 고유한 승화 염료는 압전 프린트 헤드를 통해 액체 젤 잉크를 거쳐 "전사"지 시트로 전달된다. 잉크는 이러한 고이형성 잉크젯 용지에 증착되며, 이는 승화 인쇄 공정의 다음 단계에 사용된다. 디지털 디자인이 승화 전사 시트에 인쇄된 후, 승화될 기질과 함께 열 프레스에 놓인다.

이미지를 종이에서 기질로 옮기려면 시간, 온도 및 압력이 조합된 열 프레스 공정이 필요하다. 열 프레스는 기질에 따라 달라질 수 있는 이 특수한 조합을 적용하여 분자 수준에서 승화 염료를 기질로 "전사"시킨다. 승화에 사용되는 가장 일반적인 염료는 화씨 350도에서 활성화된다. 그러나 최적의 색상을 위해서는 일반적으로 화씨 380도에서 420도 범위를 권장한다.

승화 공정의 결과는 거의 영구적이고 고해상도인 풀 컬러 인쇄물이다. 염료가 표면적으로 도포되는 방식(스크린 인쇄나 직접 의류 인쇄와 같이)이 아니라 분자 수준에서 기질에 주입되기 때문에, 일반적인 조건에서는 인쇄물이 갈라지거나 변색되거나 기질에서 벗겨지지 않는다.

물질의 상전이 표

		고체	액체	기체	플라스마
		반응 후
반응 전	고체	고체-고체 변화	용융	승화	—
	액체	결빙	—	기화	—
	기체	증착	응축	—	전리
	플라스마	—	—	재결합 / 탈전리	—

같이 보기

각주

↑ Whitten, Kenneth W.; Gailey, Kenneth D.; Davis, Raymond E. (1992). 《General chemistry》 4판. Saunders College Publishing. 475쪽. ISBN 0-03-072373-6.
↑ Boreyko, Jonathan B.; Hansen, Ryan R.; Murphy, Kevin R.; Nath, Saurabh; Retterer, Scott T.; Collier, C. Patrick (2016). 《Controlling condensation and frost growth with chemical micropatterns》. 《Scientific Reports》 6. Bibcode:2016NatSR...619131B. doi:10.1038/srep19131. PMC 4726256. PMID 26796663.
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[1] Whitten, Kenneth W.; Gailey, Kenneth D.; Davis, Raymond E. (1992). 《General chemistry》 4판. Saunders College Publishing. 475쪽. ISBN 0-03-072373-6.

[DepositionDef-2] Boreyko, Jonathan B.; Hansen, Ryan R.; Murphy, Kevin R.; Nath, Saurabh; Retterer, Scott T.; Collier, C. Patrick (2016). 《Controlling condensation and frost growth with chemical micropatterns》. 《Scientific Reports》 6. Bibcode:2016NatSR...619131B. doi:10.1038/srep19131. PMC 4726256. PMID 26796663.

[3] “Sublime”. 《Dictionary.com》. 랜덤하우스.

[4] "Sublime". CollinsDictionary.com Dictionary.

[5] Fassnacht, S. R. (2004). 《Estimating Alter-shielded gauge snowfall undercatch, snowpack sublimation, and blowing snow transport at six sites in the coterminous USA》. 《Hydrol. Process.》 18. 3481–3492쪽. Bibcode:2004HyPr...18.3481F. doi:10.1002/hyp.5806. S2CID 129927018.

[6] “Glossary of Meteorology”. 2011년 9월 17일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2010년 7월 5일에 확인함.

[7] Caroll, J. (2014). 《Natural Gas Hydrates》. Gulf Professional. 16쪽. ISBN 978-0-12-800575-0.

[8] Staff writer(s) (2015). “what solids go through sublimation?”. National Science Foundation and UCSB School-University partnership. 2015년 11월 13일에 확인함.

[9] Pavia, D. (2005). 《Introduction to organic laboratory technique》. Thomson Brooks/Cole. 781–782쪽. ISBN 978-0-534-40833-6.

[10] Girard, James (2011). 《Criminalistics: Forensic Science, Crime and Terrorism》. Jones & Bartlett Learning. 143–144쪽. ISBN 978-0-7637-7731-9.

[Holl3-11] Holleman, Arnold F.; Wiberg, Egon; Wiberg, Nils (1985). 〈Arsen〉 91–100판 (독일어). 《Lehrbuch der Anorganischen Chemie》. Walter de Gruyter. 675–681쪽. ISBN 978-3-11-007511-3.

[12] R. B. King Organometallic Syntheses. Volume 1 Transition-Metal Compounds; Academic Press: New York, 1965. ISBN 0-444-42607-8.

[HarwoodMoodyEOCPAP-13] Harwood, Laurence M.; Moody, Christopher J. (1989). 《Experimental organic chemistry: Principles and Practice》 Illurat판. WileyBlackwell. 154–155쪽. ISBN 978-0-632-02017-1.

[14] Barrett, Francis (1815). 《The lives of alchemystical philosophers: with a critical catalogue of books in occult chemistry, and a selection of the most celebrated treatises on the theory and practice of the hermetic art》. Macdonald and Son for Lackington, Allen, & Co. 233쪽.

[15] DiBernard, Barbara (1980). 《Alchemy and Finnegans wake.》. SUNY Press. 57쪽. ISBN 978-0-87395-388-7.

[16] Ripley, George (1591). Compound of Alchemy 보관됨 2023-05-11 - 웨이백 머신.

[Gavezzotti-17] Gavezzotti, A. (1997). 《Theoretical Aspects and Computer Modeling of the Molecular Solid State》. Chichester: Wiley and Sons.

[18] McDonagh, J. L.; Nath; De Ferrari, Luna; Van Mourik, Tanja; Mitchell, John B. O. (2014). 《Uniting Cheminformatics and Chemical Theory To Predict the Intrinsic Aqueous Solubility of Crystalline Druglike Molecules》. 《Journal of Chemical Information and Modeling》 54. 844–56쪽. doi:10.1021/ci4005805. PMC 3965570. PMID 24564264.

[19] McDonagh, James; Palmer, David S.; Van Mourik, Tanja; Mitchell, John B. O. (2016년 10월 17일). 《Are The Sublimation Thermodynamics of organic molecules predictable?》 (PDF). 《Journal of Chemical Information and Modeling》 56. 2162–2179쪽. doi:10.1021/acs.jcim.6b00033. hdl:10023/11874. ISSN 1549-9596. PMID 27749062.

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v t e 물질의 상태
일반적인 상태	고체 액체 기체 / 증기 플라스마
저에너지	보스-아인슈타인 응축 페르미온 응축 양자 홀 효과 뤼드베리 상태 기묘 물질 초유체 초고체
고에너지	축퇴물질 QCD 물질 쿼크-글루온 플라스마 초임계유체
다른 상태	교질 유리 액정 자기적 순서 (반강자성, 준강자성, 강자성) 슈퍼글라스
상전이	끓음 (비등) 끓는점 응축 임계선 임계점 결정화 탈이온화 증착 증발 플래시 증발 결빙 이온화 람다 점 융해 녹는점 복빙 포화 유체 승화 과냉각 삼중점 기화
양	융해열 승화열 기화열 잠열 내부 에너지 트루턴의 비율 휘발성
개념	바이노달 압축유체 냉각곡선 상태 방정식 라이덴프로스트 효과 음펨바 효과 질서와 무질서 스피노달 초전도 현상 과열증기 과가열 열 유전 효과

전거 통제
국제	GND
국가	미국 체코 이스라엘