拧开汽水瓶盖的瞬间,会听到“嘶”的一声,瓶子里的小气泡也接连不断地冒出来。瓶盖关着时,饮料清澈又安静,只是打开盖子就变成这样,你也许想过这是为什么。变的不是瓶里的气体,而是瓶里的压力。
用一个公式解释这一现象的,就是亨利定律(Henry's Law)。它说的是:在温度一定时,溶解在液体中的气体量与该液体接触的气体压力成正比,从一瓶汽水到深海潜水,都广泛适用。
本文将依次介绍亨利定律说了什么、潜水员的身体里会发生什么,以及这条定律在什么情况下不太适用。
压力把气体留在液体里的原理
打开瓶盖的瞬间发生了什么
碳酸饮料,是用高压把二氧化碳压进去、使其溶解在饮料中的产物。这种方法的源头可以追溯到18世纪后期,英国的约瑟夫·普里斯特利(Joseph Priestley)把二氧化碳溶于水,做出了碳酸水。瓶子上部的空隙里充满了压力高于大气压的二氧化碳,正是这个压力把大量气体留在了饮料里。
打开瓶盖,上方的压力骤降到大气压。在新的压力下,饮料无法再溶解那么多气体,多出来的二氧化碳就变成小气泡跑出来。这就是气泡的真面目。摇晃后再打开的饮料涌得更猛,是因为摇晃时产生的小气泡成了“种子”,溶解的气体一下子都聚集过来。打开的饮料放久了会跑气,也是同样的道理:气体会不断逸出,直到达到新压力下的平衡量。
亨利定律说了什么
这条定律源自1803年英国化学家威廉·亨利(William Henry)的实验,他改变压力和温度,测量水中溶解的气体量。结果同年发表在英国皇家学会的期刊上,他发现压力提高到两倍、三倍时,水吸收的气体量也变成两倍、三倍。公式写作C = k × P,意思是气体浓度C与压力P成正比。例如压力从1个大气压升到4个大气压,在相同温度下溶解的二氧化碳量也会变成四倍。
- 溶解度(Solubility):一定量的液体最多能溶解的气体量。
- 分压(Partial Pressure):混合气体中某一种气体所占的压力,定律适用于每一种气体各自的分压,而不是总压力。
- 亨利常数(Henry's Law Constant):相当于上式中k的数值,不同的气体与液体组合各不相同,也会随温度变化。
同样的压力下,有的气体在水里溶解得好,有的却溶解得差,原因正是这个常数不同。定律说的不是溶解得有多好,而是压力变成两倍、溶解量也变成两倍的比例关系。
潜水员体内发生的事
亨利定律也与水下作业者的安全直接相关。水深每增加10米,压力大约增加1个大气压,呼吸空气的潜水员,其血液和组织中会随压力增加而溶入更多的氮气。
问题出在上浮的时候。如果过快浮出水面,压力骤然降低,溶解在组织中的氮气来不及排出,就在血管中变成气泡。这就是俗称“潜水病”的减压病(Decompression Sickness),轻则关节疼痛、皮肤出疹,重则可能导致瘫痪。
(1) 缓慢上升
潜水员按规定的速度缓慢上浮,中途停下来休息,给体内的氮气通过呼吸排出的时间。
(2) 把氮气换成别的气体
在很深的地方作业时,有时会使用以氦气代替氮气的混合气体,因为氦气在血液中比氮气更难溶解。
(3) 把压力恢复回去
如果症状已经出现,就进入加压的治疗舱,让体内的气泡重新溶解,再缓慢降低压力。
这三种做法都遵循同一个原理:控制压力降低的速度,或者让气体更不容易溶解。一个公式所解释的,不只是冒泡的饮料,也包括人体内发生的事。
定律不适用的情况
亨利定律在条件满足时吻合得很好,并非处处都成立。在真实的溶液中,气体分子与液体分子如何相互作用,会让这种比例关系出现些许偏差。了解什么时候会出现偏差,才不会读错数值。
(1) 温度变化时
即使压力相同,液体变热后气体通常会溶解得更少。变温的碳酸饮料更容易跑气,也是因为亨利常数会随温度变化。
(2) 与液体发生化学反应时
像氯化氢或氨这样与水反应并解离成离子的气体,会偏离简单的比例关系。因为溶解的气体中有一部分已经变成了别的物质。
(3) 压力非常高或浓度很浓时
当气体处于极高压力下,或溶解得太多以致溶液不再稀薄时,比例关系就会被打乱。定律在稀溶液和不太大的压力下最为准确。
另外,水越深压力越高,可能溶有大量二氧化碳,这在自然界中也是一种危险。1986年在喀麦隆的尼奥斯湖,积聚在湖底深处的二氧化碳突然喷出,至少造成1,700人死亡。气体处于溶解状态,也意味着它随时可能被释放出来。
知道定律适用到哪里,与知道定律本身同样重要。清楚条件再使用的定律,才最值得信赖。能读懂看不见的气体随压力停留多少、离开多少的眼光,就是亨利定律的第一步。
