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第12章 八仙过海,各显神通(4)

气体能溶解在固体里吗

固体物质溶解在液体里,这是最常见的溶解现象,如白糖和食盐溶解在水里。液体物质溶解在液体里,也是常见的事。白酒就是水和酒精的混合溶液,家里做菜用的醋,则是醋酸(乙酸)的水溶液。

那气体能溶解在液体里吗?能!我们平常喝的汽水和啤酒里面就溶解了不少二氧化碳气体。有些气体在水中的溶解量还很大呢!例如,在室温下,1升水能溶解400升氯化氢气体,能溶解700升氨气。

最奇异的是气体还能溶解在固体里,突出的例子是氢气在铂族元素钯里的溶解。在常温下,l体积的钯能溶解700体积以上的氢气。白金(铂)也有溶解气体的本领,1体积的白金能溶解70体积的氧。

气态、液态和固态是物质的三种主要聚集状态。上面我们谈了固体和液体物质在液体里的溶解,也谈了气体在液体和固体里的溶解。这些溶解现象,都是一种物质在另一种物质中分散的过程。现在要问,我们没有谈到的固体分散在气体和固体里,液体分散在气体和固体里,以及气体分散在气体里的情况是否存在?回答是肯定的。也就是说,总共有9种类型的分散体系,即:

气体在液体中,例如泡沫。

液体在液体中,例如白酒、牛奶。

固体在液体中,例如糖水、盐水。

气体在固体中,例如木炭。

液体在固体中,例如湿泥土。

固体在固体中,例如合金。

气体在气体中,例如空气。

液体在气体中,例如云、雾。

固体在气体中,例如烟、尘。

在这里,我们用了一个新的概念——分散体系。物质的微粒分散在另一种物质里所形成的体系,就叫做分散体系。显然,在上面列举的例子中,有些是溶液,例如糖水、盐水;有些则不是,例如牛奶。判断的方法就是根据溶液的定义和特点,看它是不是均匀、透明和稳定。这里需要指出的是,空气是溶液,空气里各种气体的质点都是分子状态的,具有高度的均匀性和稳定性。因此,空气可以说是气态溶液。

没有加热,为什么温度变了?

在一个100毫升烧杯中盛30毫升20℃(室温)的水,用小量筒量10毫升20℃的浓硫酸,慢慢地倒入水里,同时不停地搅拌。这时,用手摸一下烧杯的外壁,竟然变得烫手了,这说明硫酸倒进去后液体的温度大大升高了。

20℃的硫酸倒进20℃的水里,也没有加热,为什么温度升高了?难道浓硫酸和水混合在一起会放热吗?是的,浓硫酸溶解进水里变成稀硫酸时,要放出大量的热,正是这部分热量,使溶液的温度升高了。

浓硫酸和水混合的操作步骤,有一点特别的地方,就是一定要把浓硫酸倒进水里,决不允许把水往硫酸里倒。这是由于浓硫酸的比重比水大得多,如果把水倒进硫酸里,水就浮在上面,浓硫酸和水发生溶解反应时放出的大量的热,会使水沸腾起来,带着硫酸液滴四处飞溅,溅到皮肤上、衣服上,容易发生危险。反过来,把硫酸慢慢地倒进水里,硫酸比水重,逐渐沉到下层,由于搅拌,分散到溶液的各部分,和水发生溶解反应放出的热量,也均匀地分配到整个溶液。这样,溶液的温度是慢慢上升的,不会使水沸腾溅出。

和硫酸一样,许多物质溶于水时放出热量,例如苛性钠(氢氧化钠)和苛性钾(氢氧化钾)溶于水时就放出大量的热。50克氢氧化钾溶于水变成稀溶液时,能放出11.5千卡(1千卡=4.18千焦)的热量。

与此相反,也有许多物质溶于水时吸热,使溶液的温度降低。例如80克硝酸铵溶于水变成稀溶液时,要吸收6千卡的热量,使溶液的温度大大下降。硝酸钾溶于水时也吸收大量的热。

为什么有些物质溶于水放热,另外一些物质溶于水吸热呢?

因为溶解过程是个复杂的过程。一方面,溶质的分子或离子要通过扩散分散到溶剂分子里去,形成均匀的溶液。这个过程是需要吸收热量的。另一方面,溶质的分子或离子有一部分要和溶剂的分子发生化合反应,生成溶剂合物。如果溶剂是水,则生成水合分子或水合离子,这个过程是要放出热量的。因此,溶解时放热还是吸热,要看哪一方面占优势。如果生成溶剂合物时放出的热量超过溶质扩散时吸收的热量,整个溶解过程就是放热的。反之,溶解过程就是吸热的。

原子学说之谜

在英国的坎伯兰郡,有一所教会学校。在其中的一间教室里,讲课的竟是一位刚刚12岁的小老师。而坐在下面的学生大都同小老师的年龄差不多,有的甚至还比他大些。大概是年龄相仿的缘故,学生们没怎么把他放在眼里,小老师讲课时,随时会有人打断他的话,并提出各种问题,而且许多问题明摆着是想难住他的。对此,小老师倒是一点儿也不生气,他认真耐心地解答学生的提问,遇到不会的便说:“我回去查查书,过几天再告诉你。”时间长了,小老师与学生的关系变得越来越亲密友好,刁难他的人也少了。同时,为了解答学生的各种问题,小老师看了大量的书,查阅了许多资料,久而久之,小老师对自然科学产生了浓厚的兴趣。

这位小老师叫道耳顿,后来成为著名的化学家、物理学家,创立了伟大的原子学说。

年轻时,道耳顿喜欢气象学,他自制了许多仪器进行气象观测,并坚持每天做气象记录,整整57年没有间断。后来尽管兴趣转向了化学,但他始终没有放弃气象学的研究,而且正是这一爱好,使道耳顿思路更为开阔,能用与其他化学家不同的方式去研究物质的结构,并最终创立了原子学说。

道耳顿是怎样把气象学与原子学说联系在一起的呢?是这样的,当时为了研究气象学的需要,必须了解空气的组成和性质。道耳顿像前辈科学家玻义耳、牛顿一样,假定气体都是由微小的颗粒所组成,在这个假定的基础上,他总结出“气体分压定律”;发现了空气在压缩时温度会升高;还证明空气中水蒸气的含量随温度升高而增大。这一连串的成功给道耳顿带来了喜悦,也促使他更深入地思考。他想:“空气由微小颗粒组成”虽然只是一个假设,但由它所推演出的许多理论都被实验证明是对的。那么,这不是正好说明了假设本身是正确的吗?

道耳顿进一步想:“如果假设是正确的,它能适用于气体,是否也适用于其他的物质呢?”

恰好在不久前的1799年,法国化学家普鲁斯特宣布了物质组成的定比定律。定律说:由多种元素组成的化合物,各元素间的重量比是一定的,而且永远是整数。这个定律给了道耳顿很大启发,他认为物质中各元素间的整数比,正说明元素是由一个个独立的微粒——原子组成。道耳顿又花费了2年的时间进行实验,并取得大量的第一手数据。

1803年,道耳顿提出了原子学说,其主要内容是:化学元素均由极微小的、不可再分的原子组成;所有的物质都是由这些原子以不同的方式相化合而成的;化学反应是原子重新结合的过程。

原子学说问世以后,很快被一个又一个的事实所证明,并成功地解释了许多现象,被公认为是化学的最基本理论,是科学史上一项划时代的成就。对于原子学说的创立,道耳顿曾不止一次地说过:“它得益于我所熟悉的气象学。”

死海淹不死人的秘密

在亚洲西部,约旦王国的边界上,有一个面积1000多平方千米的内陆湖,它的名字叫做死海。

死海风光

为什么叫这么个不吉祥的名字呢?原来,在这个内陆湖里,几乎没有什么生物能够生存,沿岸草木也很稀少,一片死气沉沉的景象,所以大家就把它叫死海了。

但是,死海里的水并不像别的江河湖海那样容易吞噬生命,淹死人畜。据说,在2000年前,古罗马帝国的军队进攻耶路撒冷的时候,军队的统帅狄杜要处死几个俘虏,他让人把这些俘虏捆起来,投到死海里,想把他们淹死。不料,这些俘虏并没死海漂浮有沉到水里,一阵风浪,又把他们送回岸边来了。统帅命令把他们再投进湖里,过一会儿又都漂了回来。这位罗马统帅以为他们有神灵保佑,只好把这几个俘虏放了。

不管这个传说是否真实,死海倒的确是淹不死人的,即使不会游泳的人,也会漂浮在水面上,甚至还能读书看报呢!

死海为什么有这种奇异之处呢?关键在于死海的水里含有大量的食盐。据测定,死海的含盐量高达25%,是一般海水中食盐含量(约为3.5%)的7倍!这样高的食盐含量是不利于生物生长的,所以这个内陆湖成了死海;这样高的含盐量,使湖水的比重很大,超过了人体的比重,因此,人在湖水里不会下沉,不会游泳也能漂浮在水面上。这就是死海与众不同的“秘密”。食盐溶于水,就成了食盐的水溶液,死海里含有大量的食盐,形成了浓度较大的食盐的水溶液。上面提到的25%就是这一溶液的浓度,其含义是:在100克溶液里含有25克食盐,75克水。这种用溶质的质量占全部溶液质量的百分比表示浓度的方法,叫做质量百分比浓度,简称百分浓度。它是最常用的表示溶液浓度的方法。

显然,百分浓度和溶解度的含义是不同的。溶解度是在一定温度下,100克溶剂里所能溶解的溶质的克数,百分浓度则是在100克溶液里所含溶质的克数。溶质在溶液里的含量达到其溶解度时,溶液就成为饱和溶液了。但在实际生产、科研和日常生活中,不仅需要饱和溶液,也需要各种浓度的稀溶液和浓溶液,因此也就有许多种表示溶液浓度的方法。

空瓶生烟之谜

预先准备好两个无色“空”广口瓶,瓶子大小一样,瓶口用塞子塞着。当着观众的面拔掉两个瓶口上的塞子,马上把一个瓶子倒过来,放到另一个瓶子的上面,瓶口对好。过了一会儿,就见在瓶子里出现了白色烟雾,白烟越来越多,迅速弥漫开来,情景颇为奇异。

为什么两个“空”瓶子上下叠置起来会发生白烟呢?原来,两个瓶子里并非真的“空空如也”。下面的瓶里预先滴进了几滴浓氨水,摇荡以后,氨水均匀地粘附在瓶壁上,使瓶子看起来像空的一样。上面的瓶子里滴进了几滴浓盐酸,也经过摇荡,盐酸均匀地粘附在瓶壁上。

浓盐酸是挥发性的酸,可放出氯化氢气体;浓氨水中溶解的氨气,也容易挥发逸出。所以,当两瓶子去掉塞子,一上一下口对口地放在一起时,两种气体就会扩散开来。它们的分子碰到一起,就发生了化合反应,生成一种新的物质——氯化铵,反应中发生的白色烟雾就是氯化铵的非常细小的固体颗粒造成的。两瓶一上一下地放在一起时,必须使沾上盐酸的瓶子在上,沾上氨水的瓶子在下。这样,较重的氯化氢气体向下扩散,与氨气相通,生成氯化铵。

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