升华

物理学中由固态变为气态的过程

升华（sublimation）指物质从固态不经过液态直接变成气态的相变过程。逆过程叫凝华。

简史

人类对升华现象认识得很早，西晋（公元4世纪）时葛洪在《抱朴子内篇》中即记载有：“取雌黄、雄黄烧下，其中铜铸以为器复之……百日此器皆生赤乳，长数分。”这一段话描述了三硫化二砷和四硫化四砷的升华现象。明朝李时珍著的《本草纲目》（1596）载有将水银、白矾、食盐的混合物加热升华制轻粉（氯化亚汞）法。

西方对升华的记载要晚一些。十六世纪的炼金术士和乔治·瑞普利（George Ripley）和十七世纪的炼金术士巴西尔·瓦伦丁（Basil Valentine）都在自己的著作里抽象地描述了升华的过程。18世纪德国医生、矿物学家亨克尔在1755年出版的著述中，讲到金属砷，是在密闭的容器中升华砷获得。

详细含义

在相图中，温度和压强低于三相点的部分中，有气相和固相的交界线。凡是从气相越过这条交界线变为固相的过程，都是凝华。相反的过程，即从固相越过这条交界线变为气相的过程，叫升华。大部分物质在升华为蒸气后还能凝华成为和升华前一样的固体，但是某些固体会在升华又凝华后形成另一种结构的固体，比如红磷在升华之后再凝华就成为白磷了。

升华是吸热过程，升华所吸收的焓叫升华焓（enthalpy of sublimation）或升华热（heat of sublimation）。同一物质的升华热永远比蒸发热的数值要大。

在一定的大气压强下，固体物质的蒸气压与外压相等时的温度，称为该物质在这个压强下的升华点。在升华点时，不但在固体表面，而且在其内部也发生了升华，作用很剧烈。

实例

生活中的例子

固态的碘受热直接变成碘蒸气的过程是升华。

樟脑丸逐渐变小是升华。

冰受热直接变成水蒸气是升华。

灯泡用久了会变黑，是因为灯丝（钨）受热而升华，气体碰到玻璃，遇冷凝华。

干冰受热变为气态二氧化碳是升华。

舞台上看到的雾，就是利用干冰升华吸热，使得周围温度降低，由空气中的水蒸气遇冷液化成的小水滴。

自然界的例子

当干燥的风吹过山地的雪时，一部分雪会“消失”，“消失”过程没有液态水的出现。这是因为这些雪升华成水蒸气了。一个具体的例子是落基山脉（Rocky Mountains）的雪：当奇奴克风（Chinook winds）从太平洋吹到落基山脉时，风的温度并不低（15 ℃ 左右）却很干燥（湿度不到 10%），这种风吹到山上的雪时，雪升华了，没有雪水出现。

火星的南极有季节性的干冰盖，随着季节的变化，干冰盖的大小和形状会发生变化。这种干冰盖的减小是干冰升华为二氧化碳气体的过程。

应用

升华可以用来冷却物体。例如，运送需要冷冻的货物时，加入干冰。由于升华要吸热，干冰可以使货物保持低温。而且干冰不会使货物结霜或受潮。

卫生球利用了升华来驱虫。卫生球含萘，萘是在常温下就能升华的晶体，升华后的萘蒸气很容易被蠹和其它害虫闻到，从而起到驱虫的效果。

冷冻干燥法（freeze-drying）是使物品脱水的一种方法。有些物品在有水分的情况下容易腐败，所以需要脱水。先冷冻物品，再降低气压使冰升华，这就是冷冻干燥法。

有机化学实验中，升华常被用来提纯产物。比如从茶叶中提取咖啡因的实验中，提取物是粘稠的棕色混合物（咖啡因和多种有机杂质的混合物）。要从这种混合物中提纯咖啡因，需用升华法：把混合物放进陪替式培养皿（Petri dish），用滤纸盖住培养皿，再把盛有水的烧杯压在滤纸上（为了使滤纸盖得严实，也为了冷却），之后加热培养皿，五分钟后停止加热，会看到滤纸上出现白色结晶，即为纯净的咖啡因。这是由于在加热过程中，咖啡因升华了，之后在温度较低的滤纸上凝华成为结晶。杂质没有升华，所以留在了混合物中。合成二茂铁的实验中，粗产物以类似的方法加热从而使二茂铁升华再凝华。

升华方法

常压升华

在一个标准大气压（1.013×10^5 Pa）下固体的升华。

常温升华

在室温（25 ℃）下固体的升华。

真空升华

又称减压升华，由于升华与固体蒸气压和外压的相对大小有关，降低外压可以降低升华温度，在常压下不能升华或升华很慢的物质可以采用真空升华。真空升华还可防止被升华的物质因温度过高而分解或在升华时被氧化。金属镁和钐、三氯化钛、苯甲酸、糖精等都可用此法提纯。

低温升华

1976年，J．W．米切尔提出低温升华技术，即将温度和压力维持在升华物质的三相点以下，使它在很低的压力（几毫米汞柱）下升华，经冷凝后捕集在冷阱中而与杂质分离。此法操作简单，产品纯度很高，例如很难用一般方法提纯成高纯试剂的过氧化氢，用此法提纯，一次即可将钴、铬、铜、铁、锰、镍等杂质从1000 ng/mL降至0.4～2 ng/mL。

升华概念的误用

某些铵盐（如氯化铵）晶体加热后会直接变为气体，这个过程曾被人误认为是升华，但是实际上是铵盐分解成了氨气和另一种气体（如氯化氢），是化学反应。

热升华打印机（dye-sublimation printer）是一种打印机，它有这样的名字是因为人们曾经认为打印颜料在这种打印机里是由固体升华成气体的。而实际上，在颜料有固体变为气体的过程中，有液化存在。但是这种打印机仍然保留了这个名字。

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