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在空气中的水里自行溶解的固体:潮解(Deliquescence)

梅雨季节打开除湿盒,会发现原本装满白色颗粒的盒底不知何时积起了水。明明没有人往里倒水,颗粒却越来越少,透明的液体填满了它们原来的位置。这是固体自行吸收了漂浮在空气中的水蒸气,又把自己溶解在了这些水里。这种现象就是“潮解(Deliquescence)”。

简单来说,潮解是指“固体吸收空气中的水分,随后溶解在所吸收的水中而成为溶液的现象”。许多物质都具有吸附水分的性质,但吸水能力强到会直接溶解成液体的物质,会被单独区分称呼。

本文将依次介绍潮解是什么、与吸湿性有何不同,固体开始溶解的原理及作为标准的湿度,日常生活中遇到的潮解性物质,以及利用和处理这些物质时的注意事项。


在空气中的水里自行溶解的固体:潮解的原理与用途

什么是潮解

雨天窗边玻璃碟中的白色晶体颗粒部分溶解,碟底积起透明液体的样子

要理解潮解,最好先把两种看似相似的性质区分开来。

(1) 吸湿性是吸附水分的性质
吸湿性(Hygroscopy)是物质从周围空气中吸引水分子并将其留住的性质。糖、蜂蜜、纸、木材、尼龙等物质都属于此类。潮湿的日子里盐罐中的盐变得潮湿结块,也是吸湿性造成的。

(2) 潮解是吸湿性的极端
吸湿性极强的物质不会停留在吸附水分这一步,而是溶解在收集到的水中,成为水溶液。这就是潮解,最大的区别在于其外观会从固体变成液体。

(3) 也存在方向相反的现象
晶体中含有水分子的物质里,有一部分会在干燥的空气中释放出这些水,碎成白色粉末状。这称为风化(Efflorescence),水的移动方向与潮解相反。


固体何时开始溶解

一颗白色晶体表面形成薄薄的水膜和细小水珠、周围渗开透明溶液的特写

潮解是否发生,取决于水蒸气在物质与空气之间朝哪个方向移动。

(1) 蒸气压的差异推动水的移动
潮解性物质表面形成极薄的水膜后,物质会溶解其中,形成浓溶液。如果这种溶液的水蒸气压低于空气中水蒸气的压力,空气中的水蒸气就会不断进入溶液。进入的水再溶解固体,这一过程持续下去,整个固体就会变成液体。

(2) 每种物质都有标准湿度
固体开始溶解时的相对湿度称为潮解相对湿度(Deliquescence Relative Humidity,DRH)。空气湿度高于这个值时固体就会溶解,低于这个值时则保持固态。

(3) 标准湿度并非固定值
潮解相对湿度随温度而变化,即使是同一种物质,也会因晶体中所含结晶水的多少不同而有所差异。

看看在25°C下测得的数值,差异十分明显:氯化镁约为33%,碳酸钾约为43%,氯化钠约为75%,氯化钾约为84%,硫酸钾约为97%。数值越低,就意味着即使在相当干燥的空气中也会溶化。

潮解性盐类吸收空气中的水蒸气并变成水溶液的三个阶段示意图。固体颗粒吸入水蒸气,部分溶解在表面的水膜中,固体逐渐减少,盐溶液逐渐增多。潮解不同于加热引起的熔化,也并非所有吸湿性物质都会潮解。开始潮解的湿度因物质、温度和混合成分而异,除湿剂中积存的液体不是纯水,而是盐溶液。
潮解是固体吸收空气中的水蒸气并溶解在这些水中形成水溶液的现象。条件因物质、温度和混合成分而异,本图是以潮解性盐类为例的概念示意图。出处:IUPAC Gold Book · NIST (Greenspan, 1977)。

生活中遇到的潮解性物质

木制盐仓里堆积的粗盐堆下方流出卤水,架子上的除湿盒里积了水的样子

比起实验室,潮解在日常生活中更常见。

  • 氯化钙(Calcium Chloride):用作除湿剂和冬季融雪剂。除湿盒底部积存的液体,是氯化钙溶解在所吸收的水中形成的氯化钙水溶液。
  • 氯化镁(Magnesium Chloride):从日晒盐中流出的卤水的主要成分。由于其潮解相对湿度较低,盐堆放时会吸收空气中的水分,溶化流下。
  • 氢氧化钠(Sodium Hydroxide):一种以制皂原料而闻名的强碱。固体放置在空气中,表面很快就会变湿发黏,还会吸收空气中的二氧化碳而发生变质。
  • 硝酸铵(Ammonium Nitrate):用作化肥的物质,在潮湿的仓库中容易结块或溶化,导致品质下降。

纯净的盐只要湿度不超过75%左右就不太会溶化,但卤水没有充分沥出的盐,在低得多的湿度下也会变得潮湿。这就是为什么同样是盐,保存方法会因所含成分而不同。


利用潮解的方法与注意事项

实验台上摆着盖紧的试剂瓶和装有白色颗粒的玻璃干燥器,一只戴手套的手正在拧紧瓶盖

强烈吸水的性质用得好便是工具,处理不当则会成为麻烦。

(1) 去除湿气的干燥剂
潮解性物质会积极收集空气中的水分,因此被用作衣柜和鞋柜的除湿剂。在实验室中,也被用作去除反应中产生的水或气体中水分的干燥剂。

(2) 形成云的“种子”
像从海面飞起的微小盐粒这样容易吸水的颗粒,在大气中充当水蒸气聚集成水滴的核心。可以说,潮解和吸湿性也参与了天气的形成。

(3) 密封保存是基本原则
潮解性试剂或化肥接触空气后重量和浓度会发生变化,因此应盖紧盖子,存放在湿气少的地方。在需要精确称量的实验中,快速操作十分重要。

(4) 小心积存的液体
除湿剂中积存的液体是浓盐溶液,接触皮肤可能会造成刺激,洒出来则可能腐蚀金属或在地面留下污渍。用完的除湿剂最好小心处理,避免洒出。


潮解是由“水在固体与空气之间朝哪个方向流动”这一简单原理所造成的现象。正是因为这种抓住看不见的水蒸气并将其变成液体的性质,我们才能减轻梅雨季节的湿气,也能理解盐为什么会受潮。

了解每种物质开始溶解的湿度各不相同,并据此选择保存和使用方法,这正是妥善处理潮解性物质的第一步。

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