逍遥学能 2015-12-25 10:51
摘要：本文从物质结构、热力学、溶液性质等多方面解释食盐溶解于汽水中造成的喷泉现象。
一小撮食盐投入到可乐汽水中，居然引起汽水急剧喷出，貌似浓硫酸与水混合后造成的暴沸！这是南京外国语学校两个九年级学生在探讨物质溶解现象时，无意的玩闹却看到这个奇怪的现象。他们向我请教这个问题时，认为是氯化钠溶解于水放热导致。
但是，氯化钠溶解过程中由于扩散和水合程度大致相当，热效应并不明显，我用普通水银温度计检测了“喷泉”前后的温差，发现根本无法观察到水银液面在刻度上的变化，向他们证明溶解过程中热效应不足以使汽水喷出。为了进行对比，我指导学生用生活中常用的蔗糖做了相同实验，虽然也有大量气泡携带着液体涌出，但剧烈程度不如食盐。
那么究竟是什么原因呢？我从三个角度进行分析：
其一，可乐、汽水本来就是通过高压加大CO2溶解度形成的过饱和溶液，处于一个不稳定状态。从结构和作用力角度分析，食盐溶解于水，解离成钠离子和氯离子，与极性较强的水分子通过静电引力结合； CO2为非极性分子，与水的作用力远不如阴阳离子。离子与水的结合竞争力大于CO2，导致CO2大量逸散而出。从热力学角度思考，气体的熵大于液体，所以CO2的逸出是有利于熵增的。
其二，正如前面所述，汽水中有大量的二氧化碳气体，是加高压溶解在水中，存在的溶解平衡受到温度、压强、浓度等因素的影响。溶在水中的二氧化碳要形成气泡，必须要有成核位置，我们平时如果将几粒葡萄干置于汽水中，会发现其表面附着数十个小气泡，也就是这个道理。未溶解的盐粒则可充当成核位置，二氧化碳会先在成核位置形成微泡，在上升的过程中与其它微泡结合然后逐渐变大。
其三，在水中加入一些难挥发的物质时，由于溶质的加入必然会降低单位体积内水分子的数目。在单位时间内逸出液面的水分子数目相应的减少，也就是使溶液的蒸气压降低，CO2溶解度随之降低。由于食盐是强电解质，电离后溶质粒子数目翻倍，根据稀溶液的依数性，如果放入等摩尔的非电解质蔗糖，溶质粒子数目不会增多，实验的“喷泉”效果理应不如食盐。我们的实验结果也说明了这点。
（作者说明：本文发表于《教学仪器与实验》2006年第8期，后来发现美国JCE几乎同期也有类似探究文章发表。该文发表后发现“曼妥思”薄荷糖的“沸腾效果”比食盐还好，思考可能是其中的特殊成分造成的。“曼妥思”薄荷糖配料表中包括白砂糖、葡萄糖浆、米淀粉、氢化植物油、阿拉伯胶、食用香精、结冷胶、蔗糖葡萄糖酸酯、巴西棕榈蜡等。普通的糖和香精可能不是关键因素，最有可能的是各种胶和蜡特殊的表面效果，感兴趣的老师和同学可以进一步做实验对比探究。）
（作者：陈凯 南京晓庄学院化学系）
来源：新思考网