記得去年夏天,我和幾個朋友一起去海邊玩。海邊的空氣里總是彌漫著咸咸的海水味。我突發奇想,要是能把這海水味給溶解在飲料里,那該多棒啊!想象一下,你的汽水或者檸檬水里混合著海水的清新味道,那口感得多獨特。但這真的能實現嗎?這背后其實涉及到一個化學概念 —— 氣體物質的溶解度。
一、什么是氣體物質的溶解度
氣體溶解度是指在一定溫度和壓強下,氣體在液體中的最大溶解量。這就像你把一勺糖放進一杯水里,糖會在水里溶解,但你只能溶解一定數量的糖,當達到飽和狀態,就沒法再溶解更多糖了。同樣地,氣體在液體中也有一個溶解度的限制。在壓強為 101kPa,一定溫度下,溶解在 1 體積水里達到飽和狀態時的氣體的體積,就是該氣體的溶解度 。比如在 0℃、1 個標準大氣壓時,1 體積水能溶解 0.049 體積氧氣,此時氧氣的溶解度就是 0.049 。
氣體溶解度可不是固定不變的,它受多種因素影響。首先是氣體本身的性質,像氨氣是極性分子,水也是極性分子,而且氨氣分子跟水分子還能形成氫鍵,發生顯著的水合作用,所以氨氣極易溶于水,在 20℃、1.013×10^5 Pa 時,1 升水可以溶解 702 升氨氣 。而氫氣、氮氣是非極性分子,在水里的溶解度就很小 。
二、如何提高氣體在液體中的溶解度
(一)增加壓強
當溫度一定時,氣體的溶解度隨著氣體的壓強的增大而增大。這是因為當壓強增大時,液面上的氣體的濃度增大,在重新達到溶解平衡的過程中,進入液面的氣體分子比從液面逸出的分子多,從而使氣體的溶解度變大。而且,在氣體不跟水發生化學變化的情況下,氣體的溶解度和該氣體的壓強(分壓)在一定范圍內成正比 。比如在 20℃時,氫氣的壓強是 1.013×10^5 Pa,氫氣在一升水里的溶解度是 0.01819L;同樣在 20℃,在 2×1.013×10^5 Pa 時,氫氣在一升水里的溶解度就變成了 0.01819×2 = 0.03638L 。這也就是為什么很多碳酸飲料在密封狀態下,里面的二氧化碳能大量溶解在液體里,當你打開瓶蓋,壓強減小,二氧化碳溶解度降低,就會以氣泡形式逸出。
(二)降低溫度
當壓強一定時,氣體的溶解度隨著溫度的升高而減少。因為溫度升高時,氣體分子運動速率加快,容易自水面逸出 。就像我們前面提到的,想象一下,你在寒冷的冬天呼吸時,是不是感覺空氣里的氧氣更充足呢?這是因為溫度降低,氣體在液體中的溶解度提高了。再比如燒開水時,沸騰前有氣泡逸出,陽光充足時,盛滿水的魚缸壁上有小氣泡,夏季黃昏時,池塘里的魚浮出水面,這些都是因為溫度升高,氣體在水中的溶解度變小,原本溶解在水中的氣體就跑出來了 。