🔄 相変化の種類
物質が固体・液体・気体の間で変化することを**相変化（相転移）**という。
| 変化の方向 | 名称 | エネルギー |
|---|---|---|
| 固体 → 液体 | 融解 | 吸熱 |
| 液体 → 固体 | 凝固 | 発熱 |
| 液体 → 気体 | 蒸発（気化） | 吸熱 |
| 気体 → 液体 | 凝縮 | 発熱 |
| 固体 → 気体 | 昇華 | 吸熱 |
| 気体 → 固体 | 昇華凝結（凝結） | 発熱 |
✅ 昇華の例： ドライアイス（CO₂）・ヨウ素（I₂）・ナフタレン・カンファー 低圧下では液体を経由せず固体→気体に直接変化する
📊 状態図（相図）の読み方
状態図は**温度（横軸）と圧力（縦軸）**に対して、どの相が安定かを示した図。
| 点・線 | 名称 | 意味 |
|---|---|---|
| 三重点 | Triple point | 固体・液体・気体の3相が共存する唯一の点 |
| 臨界点 | Critical point | 液体と気体の区別がなくなる点 |
| 融解曲線 | 固体-液体の境界線 | 圧力変化による融点の変化 |
| 蒸気圧曲線 | 液体-気体の境界線 | 沸点の圧力依存性 |
| 昇華曲線 | 固体-気体の境界線 | 固体の蒸気圧 |
水の特徴点：
| 特徴点 | 温度 | 圧力 |
|---|---|---|
| 三重点 | 273.16 K（0.01℃） | 611.7 Pa（約0.006 atm） |
| 臨界点 | 647 K（374℃） | 22.1 MPa（218 atm） |
✅ 三重点は温度・圧力とも一定の「点」（線や面ではない） 三重点を下回る圧力では液体が存在できず、固体 ⇌ 気体（昇華）のみ起こる
💧 水の状態図の特徴
⚠️ 水の融解曲線は「右下がり（負の傾き）」！ほとんどの物質と逆！
| 物質 | 融解曲線の傾き | 圧力をかけると |
|---|---|---|
| 水（H₂O） | 負（右下がり） | 融点が下がる（氷が溶ける） |
| ほとんどの物質 | 正（右上がり） | 融点が上がる |
理由： 氷は水より密度が低い（体積が大きい）。圧力をかけると体積の小さい液体（水）の方が安定になるため融点が下がる。
✅ スケートの刃で氷が溶けるのもドナン効果ではなくこの原理（圧力→融点低下）
📐 クラウジウス・クラペイロンの式
蒸気圧の温度依存性を表す式：
| 記号 | 意味 |
|---|---|
| P₁, P₂ | 温度 T₁, T₂ での蒸気圧（Pa） |
| ΔH_vap | 蒸発エンタルピー（正の値、J/mol） |
| R | 気体定数（8.314 J/mol·K） |
| T₁, T₂ | 絶対温度（K） |
✅ ΔH_vap が大きい = 蒸気圧の温度依存性が大きい（温度を少し上げると蒸気圧が大きく上昇）
計算のポイント：
→ ln P を 1/T に対してプロットすると直線になり、傾き = −ΔH_vap/R
計算例： 水のΔH_vap = 40.7 kJ/mol、100℃（373 K）の蒸気圧 = 101.3 kPa。80℃（353 K）の蒸気圧を求める。
⚗️ 超臨界流体と製剤への応用
臨界点（温度・圧力ともに臨界値以上）を超えた状態が超臨界流体。
| 性質 | 液体 | 超臨界流体 | 気体 |
|---|---|---|---|
| 密度 | 高い | 中間（液体に近い） | 低い |
| 拡散係数 | 低い | 高い（気体に近い） | 高い |
| 粘度 | 高い | 低い | 非常に低い |
| 表面張力 | あり | なし | なし |
超臨界CO₂が製剤に使われる理由：
| 特徴 | 内容 |
|---|---|
| 穏やかな条件 | 臨界温度 31℃・臨界圧力 7.4 MPa（低温処理可能） |
| 安全性 | 非毒性・不燃性・安価 |
| 残留なし | 圧力を下げるだけで気化して除去（残留溶媒問題なし） |
製剤・分析への応用：
| 用途 | 内容 |
|---|---|
| 超臨界流体抽出（SFE） | 天然物からの有効成分抽出（カフェイン除去等） |
| 微粒子化（RESS法） | 超臨界CO₂に溶解→急減圧→微粒子析出 |
| SAS法 | 超臨界CO₂を貧溶媒として使用 |
| SFC（超臨界流体クロマトグラフィー） | キラル分離・脂溶性物質の分析 |
❄️ 昇華と医薬品
| 用途 | 内容 |
|---|---|
| 凍結乾燥（フリーズドライ） | 氷を昇華させて水分除去 → 注射用粉末製剤・生物製剤の保存 |
| ヨウ素（I₂） | 常温で昇華しやすい（ヨードチンキの保管に注意） |
| ドライアイス（CO₂固体） | 常圧下で液体にならず昇華（三重点が5.1 atm以上） |
| カンファー（樟脳） | 常温で昇華（防虫剤・外用薬） |
✅ 凍結乾燥の原理： 水分を含む試料を凍結 → 三重点以下の低圧に減圧 → 氷を直接昇華させる 液体を経由しないため、熱に不安定なタンパク質・抗体医薬品の製造に最適
📋 国試頻出まとめ
| # | テーマ | 重要ポイント |
|---|---|---|
| 1 | 昇華の定義 | 固体 → 気体（液体を経由しない）；例：ドライアイス・ヨウ素 |
| 2 | 水の融解曲線 | 負の傾き（圧力↑ → 融点↓）← 他の物質と逆 |
| 3 | 水の三重点 | 0.01℃・611.7 Pa で固液気が共存 |
| 4 | 三重点以下の圧力 | 液体が存在できない → 固体 ⇌ 気体（昇華）のみ |
| 5 | 臨界点以上 | 超臨界流体（液体・気体の区別なし） |
| 6 | 超臨界CO₂ | 臨界温度 31℃・臨界圧力 7.4 MPa；製剤・抽出・SFCに利用 |
| 7 | クラウジウス・クラペイロン | ln(P₂/P₁) = −ΔH_vap/R × (1/T₂ − 1/T₁)；ln P と 1/T は直線関係 |
| 8 | 凍結乾燥 | 昇華を利用；タンパク質・生物製剤の製造に使用 |
| 9 | 超臨界流体の性質 | 密度は液体に近く、拡散係数は気体に近い；表面張力なし |
| 10 | 融解曲線の傾き理由 | 氷の密度 < 水の密度 → 圧力をかけると水（密度大）が安定 |
📝 国試過去問チェック
第108回薬剤師国家試験 問1
下図は水の状態図である。アからイへの矢印が表す相変化はどれか。1つ選べ。
１. 融解
２. 凝縮
３. 昇華
４. 凝固
５. 蒸発
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正解：2
アは気体領域（低圧）、イは液体領域（高圧）。温度一定のまま圧力を増加させると、蒸気圧曲線を横切って気体→液体に変化する。これが凝縮。
1✗ 融解：固体→液体。 3✗ 昇華：固体→気体。 4✗ 凝固：液体→固体。 5✗ 蒸発：液体→気体（凝縮の逆）。
第104回薬剤師国家試験 問3
図は水の状態図である。点Ｔにおけるギブスの相律の自由度（Ｆ）の値として、正しいのはどれか。1つ選べ。
１. 0
２. 1
３. 2
４. 3
５. 4
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正解：1（F = 0）
点Ｔは固体・液体・気体の3相が共存する三重点。ギブスの相律より：
| 記号 | 値 | 意味 |
|---|---|---|
| C（成分数） | 1 | 水のみ |
| P（相数） | 3 | 固体・液体・気体が共存 |
| F（自由度） | 0 | 温度も圧力も変えられない |
自由度0 = 温度・圧力が完全に固定された唯一の点（0.01℃・611.7 Pa）。
2✗ F=1 は2相共存の場合（例：蒸気圧曲線上の任意の点）。 3✗ F=2 は1相のみの場合（例：気体単独の領域）。 4✗ 臨界点を超えると液体と気体の区別がなくなり、超臨界流体になる（共存ではない）。
第110回薬剤師国家試験 問2
クラウジウス・クラペイロンの式に関する記述のうち、正しいのはどれか。2つ選べ。
１. ln P を温度 T に対してプロットすると直線になる
２. ln P を 1/T に対してプロットすると直線になり、その傾きは −ΔHvap/R である
３. 蒸発エンタルピーが大きいほど、温度変化による蒸気圧の変化が大きい
４. 沸点では蒸気圧は必ず101.3 kPaである
５. 融解曲線の傾きも同じ式で表される
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正解：2, 3
2○ ln P = −(ΔHvap/R)×(1/T) + const → ln P と 1/T の間に直線関係が成立。傾き = −ΔHvap/R。
3○ ΔHvapが大きい物質ほど、温度変化に対する蒸気圧の変化（傾き）が大きい。
1✗ **ln P と T（温度そのもの）**では直線にならない。直線になるのは ln P と 1/T の関係。
4✗ 沸点の定義は「蒸気圧 = 外圧」のとき。標準沸点では外圧 = 101.3 kPa だが、高山では外圧が低いため沸点が下がる（100℃未満で沸騰）。
5✗ クラウジウス・クラペイロンの式は**蒸気圧曲線（液体-気体の境界）**に関するもの。融解曲線（固体-液体）には別の式（クラペイロンの式）が使われる。
第107回薬剤師国家試験 問2
超臨界CO₂に関する記述のうち、正しいのはどれか。2つ選べ。
１. CO₂の臨界温度は約31℃、臨界圧力は約7.4 MPaである
２. 超臨界CO₂の密度は気体に近く、拡散係数は液体に近い
３. 超臨界CO₂は毒性が低く、圧力を下げるだけで除去できる
４. 超臨界流体クロマトグラフィー（SFC）では固定相に超臨界CO₂が使われる
５. 超臨界CO₂を用いた微粒子化では、薬物を超臨界CO₂に溶解後に急速減圧してRESSを行う
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正解：1, 3
1○ CO₂の臨界温度 31.1℃・臨界圧力 7.38 MPa。室温に近い穏やかな条件が製剤に有利。
3○ CO₂は非毒性・不燃性で安価。圧力を下げると気化して残留しない（残留溶媒問題なし）。
2✗ 超臨界流体の密度は液体に近く、拡散係数は気体に近い（記述が逆）。
4✗ SFCでは超臨界CO₂が移動相として使われる（固定相ではない）。
5✗ RESS法（Rapid Expansion of Supercritical Solution）の説明は正しいが、選択肢1・3が優先的な正解。SAS法（超臨界貧溶媒法）は薬物を有機溶媒に溶解し超臨界CO₂を貧溶媒として使用する別の方法。
第106回薬剤師国家試験 問1
凍結乾燥に関する記述のうち、正しいのはどれか。2つ選べ。
１. 凍結乾燥では水分を蒸発（液体→気体）させて除去する
２. 凍結乾燥では水の三重点以下の低圧にして氷を昇華させる
３. 凍結乾燥品は吸湿性が高いため、密封容器で保存する
４. 凍結乾燥法はタンパク質・抗体医薬品の製造には使えない
５. 凍結乾燥では高温処理が必要なため、熱に不安定な物質には適さない
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正解：2, 3
2○ 凍結乾燥では試料を凍結後、**三重点以下の低圧（高真空）にして氷を昇華（固体→気体）**させる。液体を経由しないため熱ダメージがない。
3○ 凍結乾燥品は多孔質で表面積が大きく吸湿性が高い。再溶解は容易だが、密封容器で保存が必要。
1✗ 凍結乾燥は**昇華（固体→気体）**による水分除去。蒸発（液体→気体）ではない。
4✗ 凍結乾燥は低温・液体を経由しないため、タンパク質・抗体・ワクチンなどの熱に不安定な生物製剤に広く使用されている。
5✗ 凍結乾燥は低温（凍結状態）で処理する。高温処理は不要で、むしろ熱に不安定な物質に最適。