승화 (화학)

3. 승화의 예시

• '''이산화탄소(드라이아이스)''': 상온, 상압에서 액체 상태를 거치지 않고 바로 기체로 변한다.
• '''요오드''': 상온, 상압에서 승화한다.
• '''물(얼음)''': 어는점 이하에서 승화한다. 동결건조에 이용되며, 냉동 보관한 식품이 마르거나(냉동화상) 영하의 날씨에 젖은 옷이 마르는 현상으로 확인 가능하다.
• '''나프탈렌'''(방충제 성분): 서서히 승화하여 방충 효과를 낸다.

3. 1. 이산화탄소

3. 2. 물

눈과 얼음은 어는점 이하의 온도와 612Pa의 삼중점 압력 이하의 부분 압력에서 낮은 속도로 서서히 승화한다.^[7] 동결건조에서는 탈수시킬 재료를 얼리고 감압 또는 진공 상태에서 물이 승화되도록 한다. 추운 날씨에 설원에서 눈이 사라지는 것은 종종 햇빛이 눈의 상층에 직접 작용하기 때문이며, 얼음의 승화는 빙하학에서 삭박으로 알려진 빙하 얼음의 침식 마모 요인이다.^[8]

물의 얼음도 어는점 이하에서는 점진적으로 승화한다. 동결건조에 이용되는 이 현상은, 예를 들어 장기간에 걸쳐 냉동 보관한 식품이 마르는 것(소위 냉동화상)이나, 영하의 추운 날 젖은 옷감을 야외에 걸어두면 건조 상태가 되는 것으로 확인할 수 있다.

3. 3. 나프탈렌

나프탈렌은 방충제와 같이 살충제에서 흔히 발견되는 유기 화합물로, 반데르발스 분자간 힘에 의해서만 결합된 무극성 분자로 이루어져 있기 때문에 쉽게 승화한다. 나프탈렌은 표준 온도 및 압력에서 점차적으로 승화하는 고체이며, 임계 승화점은 약 80°C이다.^[9] 저온에서 나프탈렌의 증기압은 충분히 높아 53°C에서 1 mmHg에 이르며,^[11] 나프탈렌 고체가 기체로 증발하게 한다. 차가운 표면에서는 나프탈렌 증기가 응고되어 바늘 모양의 결정을 형성한다.

3. 4. 요오드

요오드는 약한 가열만으로도 승화하여 눈에 보이는 보라색 증기를 생성한다.^[12] 대기압에서 액체 요오드를 얻으려면 요오드의 녹는점과 끓는점 사이의 온도를 조절해야 한다. 법과학에서는 요오드 증기를 이용하여 종이 위에 남아 있는 잠재 지문을 찾아낼 수 있다.^[12]

3. 5. 기타 물질

대기압에서 비소는 가열하면 서서히 승화되고, 88.7만°C에서는 빠르게 승화된다.^[13]

카드뮴과 아연은 다른 일반적인 물질보다 훨씬 더 많이 승화되므로, 진공용 재료로 적합하지 않다.

이산화탄소는 상압에서 승화하는 화합물 중 하나이다. 상온에서 고체 CO₂ (드라이아이스)를 방치하면 액체를 거치지 않고 기체로 변하는 것을 관찰할 수 있다. 또한, 요오드도 상압, 실온 조건 하에서 승화하는 물질 중 하나이다.

점진적이지만, 물의 얼음도 어는점 이하에서는 승화한다. 동결건조에 이용되는 이 현상은, 예를 들어 장기간에 걸쳐 냉동 보관한 식품이 마르는 것(소위 냉동화상)이나, 영하의 추운 날 젖은 옷감을 야외에 걸어두면 건조 상태가 되는 것으로 확인할 수 있다. 나프탈렌(방충제의 성분)은 점차 승화함으로써 방충 효과를 장기간 유지할 수 있다.

4. 승화 정제

승화는 화학에서 화합물을 정제하는 기술로 활용된다. 고체는 일반적으로 승화 장치에 넣고 진공 상태에서 가열하여 정제한다.

염료의 승화는 승화형 프린터를 통해 종이를 포함한 다양한 기재에 컬러 인쇄를 할 때 자주 이용된다. 승화형 프린터는 프린터 내부의 소형 히터에 의해 고체 염료가 기화됨으로써 색소가 기재상에 남는 구조이다. 이러한 종류의 프린터는 우수한 원색 비율 제어를 보여, 비교적 저해상도 프린터라도 동일한 해상도를 가진 다른 유형의 프린터보다 더 좋은 인쇄물을 얻을 수 있다. 일반적인 흑백 레이저 프린터는 일반 용지에 승화 염료를 포함하는 특수한 "전사 토너"를 사용하여 인쇄하며, 열을 가함으로써 인쇄 내용을 종이에서 티셔츠, 모자, 머그컵, 금속, 퍼즐 및 기타 기재 표면 등으로 영구적으로 옮길 수 있다.

연금술에서 승화는 증류 과정(물질을 가열하여 증발시킨 후, 증류기 상부나 목 부분에서 재응축시켜 분리하는 과정)에서 사용된다. 이것은 연금술의 12가지 주요 과정 중 하나이다. 현대 화학에서도 수율이 높고 용매가 필요 없는 정제 방법으로 이용된다. 감압을 통해 승화 온도를 낮출 수 있으므로, 승화점 이하의 온도에서 열분해하는 물질이나 상압에서 승화하지 않는 물질도 감압 승화를 통해 정제할 수 있다.^[23]

딥 에칭법을 이용한 급속 냉동에서는 세포 조직 등의 시료를 액체질소로 급속 냉동시킨 후, 진공 펌프에 연결하여 표면의 얼음을 승화시킨다. 이 방법은 함유 물질 표면의 입체 구조를 유지한 채 보존할 때 효과적이다. 얻어진 건조 시료를 회전 그림자 증착 전자 현미경법으로 처리하여 시료 표면의 레플리카를 얻을 수 있다.

승화는 동결 건조된 식품이나 의약품 등을 만들 때에도 이용된다. 대상물 또는 그 용액·현탁액(때때로 그들의 혼합물)을 동결시키고, 진공 상태에서 매우 천천히 가열함으로써 얼음을 승화시켜 건조시킨다. 이 과정에서 용액을 건조시키면 매우 용해도가 높은 분말 또는 입자가 된다. 이는 대상물의 내부에 포함된 물이 승화할 때 미세한 구멍이 생기고 표면적이 큰 다공질 입자가 되기 때문이다(표면적과 용해도의 관계는 용해 참조).

4. 1. 진공 승화

5. 승화의 역사적 용법

고대 연금술(근대 화학 및 의학 발전에 기여한 원시과학)에서는 물질을 기체로 가열한 후 즉시 가열 매질(일반적으로 증류기 또는 알렘빅)의 상단과 목 부분에 침전물로 모으는 과정을 '승화'라고 불렀다. 연금술사들은 기본적인 실험 기법, 이론, 용어 및 실험 방법의 체계를 발전시켰으며, '승화'는 이러한 과정 중 하나를 지칭했지만, 다른 유사한 비실험실적 변화를 설명하는 데에도 사용되었다.

5. 1. 연금술에서의 승화

6. 승화 예측

엔탈피 승화열은 일반적으로 에르고드 가설을 이용하여 예측한다. 격자 에너지가 포장 에너지의 약 절반이라고 가정하면, 다음과 같은 열역학적 보정을 적용하여 승화열을 예측할 수 있다. 1몰의 이상 기체를 가정하면 pV = RT이므로 열역학적 환경(압력과 부피)에 대한 보정이 1RT가 된다. 진동, 회전 및 병진에 대한 추가적인 보정을 적용해야 한다. 에르고드 가설에 따르면 기체의 회전과 병진은 최종 상태에 각각 1.5RT를 기여하므로 +3RT 보정이 된다. 결정의 진동과 회전은 초기 상태에 각각 3RT를 기여하므로 −6RT가 된다. RT 보정을 합산하면 −6RT + 3RT + RT = −2RT가 된다.^[19] 이는 다음과 같은 근사적인 승화 엔탈피를 나타낸다. 엔트로피 항에 대해서도 강체를 가정하면 유사한 근사값을 구할 수 있다.^[20][21]

:$\backslash Delta\; H\_\{\backslash text\{sublimation\}\}\; =\; -U\_\{\backslash text\{lattice\; energy\}\}\; -\; 2RT$

7. 승화의 응용

승화는 다양한 분야에서 응용된다. 연금술에서는 증류 과정의 일부로 사용되었으며, 현대 화학에서는 수율이 높고 용매가 필요 없는 정제 방법으로 이용된다. 감압 승화를 이용하면 승화점 이하의 온도에서 열분해되는 물질이나 상압에서 승화하지 않는 물질도 정제할 수 있다.^[23]

7. 1. 염료 승화 인쇄

7. 2. 동결 건조

7. 3. 서리 없는 냉동고

7. 4. 딥 에칭법

참조

_[1] 서적 General chemistry https://archive.org/[...] Saunders College Publishing 1992
_[2] 사전 Sublimate
_[3] 웹사이트 Sublimate https://www.collinsd[...]
_[4] 논문 Controlling condensation and frost growth with chemical micropatterns
_[5] 사전 Sublime
_[6] 웹사이트 Sublime https://www.collinsd[...]
_[7] 논문 Estimating Alter-shielded gauge snowfall undercatch, snowpack sublimation, and blowing snow transport at six sites in the coterminous USA
_[8] 웹사이트 Glossary of Meteorology http://amsglossary.a[...] 2010-07-05
_[9] 서적 Natural Gas Hydrates Gulf Professional
_[10] 웹사이트 what solids go through sublimation? http://scienceline.u[...] National Science Foundation and UCSB School-University partnership 2015-11-13
_[11] 서적 Introduction to organic laboratory technique Thomson Brooks/Cole
_[12] 서적 Criminalistics: Forensic Science, Crime and Terrorism Jones & Bartlett Learning
_[13] 서적 Lehrbuch der Anorganischen Chemie Walter de Gruyter 1985
_[14] 서적 Organometallic Syntheses. Volume 1 Transition-Metal Compounds Academic Press
_[15] 서적 Experimental organic chemistry: Principles and Practice https://archive.org/[...] WileyBlackwell
_[16] 서적 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 https://archive.org/[...] Macdonald and Son for Lackington, Allen, & Co. 1815
_[17] 서적 Alchemy and Finnegans wake. https://archive.org/[...] SUNY Press
_[18] 웹사이트 Compound of Alchemy http://www.levity.co[...] 1591
_[19] 서적 Theoretical Aspects and Computer Modeling of the Molecular Solid State Wiley and Sons 1997
_[20] 논문 Uniting Cheminformatics and Chemical Theory To Predict the Intrinsic Aqueous Solubility of Crystalline Druglike Molecules
_[21] 논문 Are The Sublimation Thermodynamics of organic molecules predictable? https://strathprints[...] 2016-10-17
_[22] 웹사이트 高等学校化学で用いる用語に関する提案（1）及び（1）への反応 https://web.archive.[...] 日本化学会 2018-01-25
_[23] 서적 新実験化学講座1巻 基礎操作I 丸善
_[24] 서적 General chemistry https://archive.org/[...] Saunders College Publishing 1992