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user: 2. 从分子运动论的角度看气液相溶态和气液相混态的区分 化学上通常是从分子之间的相互关系角度对固态、液态和气态三种基本物态或物相作出分类。固态 Table 1 At room temperature (20℃) and ordinary atmospheric pressure， the solubility of Common gas in water (/L 与水反应 极易溶 易溶 易溶 能溶 能溶 溶或能溶 微溶 难溶或不溶 气体 F 2 、SO 2 、 NO 2 、CO 2 NH 3 HCl SO 2 H 2 S Cl 2 CO 2 C 2 H 2 H 2 ( 1 ) 、N 2 ( 2 ) 、O 2 ( 3 ) 、CO ( 4 ) 、 NO ( 5 ) 、CH 4 ( 6 ) 、C 2 H 6 ( 7 ) 、C 2 H 4 ( 9 ) 溶解度 720 500 40 2. 6 2.26 1 0.93 0.0182(1)，0.0155(2)，0.0310(3)， 0.0232(4)，0.0471(5)，0.0331(6)， 0.0472(7)，0.00122(8) 表1. 室温(20℃)、常压下，常见气体在水中的溶解度(/L)表 是指分子之间因为相互的吸吸力而在固定位置震动的物态。而液态的分子之间的距离接近于固态，分子之间仍有一定的吸引力，只能在有限的范围内活动。至于气态，分子之间的距离较远，因此分子之间的吸引力并不显著，分子可以随意活动。1 L水在一个大气压下完全汽化后体积膨胀了约1244.44倍。在气态中，由于分子或原子间的距离增大，它们之间的引力可以忽略不计，分子拥有足够多的动能，因而受分子力的影响相对减少(对于理想气体是0)。因此气态主要表现为分子或原子各自的无规则运动，导致气体特性有流动性，没有固定的形状和体积，容易压缩，其物理性质具有各向同性。 根据这个理论，对于物态的判断完全是根据分子之间的相互关系和距离的远近，这样的判断对于纯净物或化合物而言是适用的，这是没有问题的，但是如果要判断混合物溶液，就可能涉及复杂的情况。 依据通常的见解，气体如果溶于溶剂或水中，这个气体也就完全变成了液体，这似乎是不言而喻的，因为溶液混合物的分子与分子之间的距离似乎完全符合液体的定义。但是现在的问题在于，这种气体溶质溶于水的过程如果也理解为即是该气体液化的过程，那么这种情况与其作为纯净物存在的时候同一个液化的过程存在什么样的联系呢？气体作为纯净物存在的时候要发生液化是有条件的，不同气体是需要有不同的条件才能液化的。把100℃的液态水完全化为气态需要吸收大量的热，叫水的汽化热，为40.8千焦/摩尔，或换算为2260千焦/千克。同样100℃气态水完全液化为液态会放出大量的热，叫水的液化热，两者的值是相等的。但是我们可以把具有不同液化点的气体同时溶于同一种液体或水中，这是不是意味着不同气体可以在同一个条件下都液化了呢？事实上可能并不是如此。 不同气体溶于水的情况是很复杂的，有的气体溶于水类似于纯净物的液化过程，同样放出大量的热。比如氨气溶于水，这种情况实际上是氨气借助于水溶剂的性质，将氨气液化的条件改变了(氨气在水中的反应可表示为：NH 3 + H 2 O = NH 3 ∙H 2 O)。即是将纯氨气的液化变为氨水(NH 3 ∙H 2 O)的液化，这样就有可能把纯氨气的液化点从−33.5℃变为氨水(NH 3 ∙H 2 O)的液化点37.7℃ (25%纯度)或24.7℃ (32%纯度)。这样把常温下氨水(NH 3 ∙H 2 O)中的氨气认定为是液体是没有问题的。 但是对于不同的气体而言，这个过程是不一样的。实验观测到的情况是有的气体溶于水有液化热产生，而有的气体并没有产生明显的液化热。这样气体溶于水的情况是不是就改变了纯净物气体液化必然要产生液化热的化学定律呢？这看来是不可能的。正是在这样一个领域存在着未知的问题，这是需要我们关注的。正是基于对这个问题的思考，我们才提出了气液相溶态与气液相混态两个概念区分的理论。 我们认为气体溶于水的情况其实可以区分为两种：一种情况是，如果气体溶于水的确有液化热产生，那就意味着这个气体在溶剂中的确完成或部分完成了液化的过程，同时伴随这个过程的是气体分子的热运动也转化为液体的分子之间的结构模式，有液化热产生，而且这个气体液化后的分子之间的距离也拉近了。所以我们才看到，在20℃和气体的压强为1.013 × 105 Pa时，氨气溶于水的溶解度达到了惊人的702，也就是一升水可以溶解的氨气气体的体积为702 L。纯氨气的温度需要低于它的沸点(−33.35℃)时才能被液化，但是在氨气与水结合的情况下，常温就可以被液化。这种情况往往是水与溶质气体发生极性反应和水合反应，以及伴随着离解和缔合等现象的结果。也就是说，这种情况下的气体溶于水实际上是靠化学反应才改变了溶质气体分子与溶剂分子之间的距离，进而也改变了溶质气体分子之间的距离，使之趋近于液态时分子之间的距离。这样的水溶液可以称为气液相溶态。 另一种情况是，如果气体溶于水没有液化热产生，或者液化热很小，那么我们就要怀疑了，这个溶于水的过程是否真的是液化过程呢？如果这样也是液化过程，那么这不就意味着与其在纯净物状态下的液化过程必然要放出热量的定律相冲突矛盾了吗？所以我们不得不进一步思考这个过程的实质是什么。我们认为这种气体溶于水的情况本质上没有发生液化过程，而仅仅是溶质气体化整为零扩散进入了液体溶剂的分子空隙中存在下来。由于它们与溶剂分子之间没有发生极性反应和水合反应等，或者说这种作用十分微弱，因此在环境气温还远远没有达到其液化点的温度的情况下，溶于水的过程实际上并没有改变其分子热运动的能量状态，因此其本质上并没有变成液态，而是依然是气态。如常温下氧气溶于水的情况，由于氧气与水基本上不发生反应，在水中的氧气依然是氧气，氧气的液化点(即沸点)是−183℃，距离常温十分遥远，所以在常温的水中的氧气不能认为是液态的氧气，而是仍然是气态，因为其作为气态分子热运动所含的能量在溶于水后并没有改变。这样的水溶液可以称为气液相混态。 虽然在气液相混态的水溶液中作为混合物的溶质分子和溶剂水分子之间的距离可以作为判断是液态的标志之一，但不是决定性的标志，而仅仅是物态的现象表征。我们知道分子之间的距离并不是决定物态的本质性的因素，真正本质性的因素是分子的热运动状态水平决定了物态是气态、液态还是固态。我们可以把某些气体的体积通过高压压缩到接近于液体状态的分子之间的距离，这样的分子由于分子自由热运动能量没有降低，而是增加了，所以还是气体，不能称为是液体。根据理想气体状态方程(pV = nRT)和分子平均平动动能 1 (E = 3KT/2)可知，物质的温度是它的分子热运动的平均动能的标志，分子平均平动动能这一微观量与宏观量温度T是联系在一起的，温度代表了分子热运动的剧烈程度，温度越高分子运动越剧烈，速度就越大，分子的平均动能就大。具有相同温度的不同理想气体，具有相同的分子的平均动能。亦即决定气体物相的决定性因素是温度，而不是分子之间的距离。 对于气液相混态的水溶液中的气体溶质而言，我们可以猜想，气体分子可能会以溶剂分子之间的空隙作为自己的藏身之所，在溶于水后依然能够保持自己的分子热运动状态水平不变。这样的气体因为它不容易与溶剂分子发生极性反应和水合反应，也就没有离解和缔合现象发生，或者这些反应和现象只有很微弱的水平，所以可以保持溶质气体的物相不变。但是由于这一气体的分子生存空间已经不是该气体作为纯净物状态时的自由运动空间，而是周围充满溶液溶剂的水分子，所以其自由运动状态是被大大束缚的，被周围密布的水分子束缚。但是，由于它不与水分子混在一起，自身温度也远没有降到液化点，所以从分子热运动的本质上来说仍然保持气态。只有这样理解的气体溶解于水的过程规律，与其作为纯净物状态存在时的气态与液态之间的物相变化规律才是不存在矛盾的，也只有这样我们才能维护而不违反化学基本规律或定律的同一性。 因此之故，我们就有必要将气体溶于水(或其他溶剂)所得到的溶液从根本上分为两种：气液相溶态与气液相混态。后者本质上并没有发生真正的“溶解”，而只是溶剂和溶质两种物质的混合，即是气态与液态的混合物溶液。这种溶液的溶质分子的存在状态决定了其溶解度不会超过1，因为其溶质分子之间仍然组成相对独立的气态，而且由于这样的气态隐藏于液态的溶剂之间，故其密度一般会小于其作为纯净物存在的时候的密度。而对于气液相溶态而言，在溶剂和溶质两种物质混合后本质上已经发生了分子水平的变化，已经有了准化合物或新化合物的生成，所以其溶解度很可能会超过1。 这就是我们在溶解度表中所看到的分布在CO 2 两边的情形：左边小于1，右边大于1。所以溶解度表所反映的规律体现了本质上根本不同的两种溶液(气液相溶态与气液相混态)的溶解度分布规律，越往左边的气体越是极性反应或水反应强烈，以至于溶解过程与液化过程可以是是一回事，是完全同一的过程，或不完全是同一的过程。越往右边的气体越是极性反应或水反应微弱，以至于溶解过程与液化的过程是完全分开的，完全不是一回事。我们可以把这样一个规律称为是溶液的溶解过程规律或溶解度定律。 这个溶解度定律能够得到的最重要的推论就是，在气液相混态中一种气体的分子热运动可以隐藏在另一种液体的分子的间隙，这使得相同体积的气态与液态混合所得到的混合物的体积不是两者的相加，而是等于或略大于液体的体积，这是比较违背化学常识和普通见解的地方。可是通过我们上面的分析可以发现，只有承认这个现象的存在，才能使得目前已经有的化学和物理规律协调起来，而不会发生矛盾。假如我们不承认这一点，那就意味着我们目前的化学规律彼此之间是有矛盾的，这一点只是我们通常没有发现而已。这个矛盾就是，在气体溶解过程中所发生的液化过程与纯净物气体的液化过程规律之间的不相容性。解决这个矛盾的唯一出路就是承认存在两种本质不同的溶液：气液相溶态与气液相混态。 我们进而可以推论，被束缚在溶剂水分子中的溶质气体分子由于事实上没有被液化，所以没有放出液化热，而这一部分热量实际上是被束缚于溶液中，这样的气体分子对于溶剂的液态分子是有推动力的。虽然气液相混态中所含的气体量是很少的，但是这样一种推动力如果有序表现出来，就会在中观和宏观上显示自己的巨大作用。如人体经络和海洋洋流的动力都可能与这个问题有关，根据我们的进一步研究发现，这种关联具有很大的确定性。 关于气液相溶态与气液相混态的区分理论的最大应用，在于可以说明人体经络的本质是气体推动液体运动的气液混合态。关于这个问题，笔者将另文正式论述。关于这个问题的非正式尚未成熟的论述，参见笔者的《论人体经络的本质是气体推动液体运动的气液混合态》一文 [ 1 ] 。 我们还可以进一步推论，气液相溶态中的气体其实也并不是完全液态的，而只是部分液态和部分气态。关于这个判断的实验证明是：我们可以进一步创造条件推进液态溶剂之中的气态溶质的液化过程，那就是要将溶液的液化过程继续下去，方法就是降低溶液温度，使之达到气体溶质的液化点，这时即使溶液的溶质的溶解度已经饱和了，也会继续液化，从而放出液化热。这个过程的实验应该选择那些沸点大于溶剂熔点或凝固点的气体进行，如戊烷(C 5 H 12 )在水中的气化实验(见下文的实验设计)。 所以我们不可把气液相混态的溶液理解为似乎是一个不可分割的整体，要知道混在一起的不同纯净物依然会保持自身的相对独立性，这个独立性可能是靠同类物质之间的量子纠缠产生统计性的相关联系在一起的。所以，溶液中每一种溶质都是一个独立的命运共同体，它们处于什么状态是由各自性质随温度变化的历史过程规律所决定的，不同溶质的三相变化的规律在混合溶液中并不会被完全打破，所以不能完全根据溶剂(水)的分子之间的距离来确定溶质的三相差别，应该不忽略溶质气体在做独立的分子运动的时候如何保证自己本性的表现方式。当它们进入同一个溶液环境之后，实际上不是把自己的本性完全改变或隐藏起来了，而是在相同的溶液环境中其本性表现出似乎相同的现象属性，我们要在这种相同中看到其中不同的特殊性来。