中學化學中二氧化碳溶于水的問題

摘要：根據二氧化碳溶解于水的有關相平衡計算和電離平衡計算結果以及CO2在滯流水里的擴散系數，分析了二氧化碳排水集氣過程，結果確定二氧化碳排水集氣法可行優越。雨水里的二氧化碳源自于降雨之前大氣中的二氧化碳溶解于云中由水蒸氣所凝聚形成的微小水滴（云滴）里。

關鍵詞：二氧化碳；排水集氣法；雨水

文章編號：1005–6629（2014）9–0093–02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 二氧化碳排水集氣法可行優越

最近版本的初中化學課本[1]仍指出，根據二氧化碳溶解于水生成碳酸的性質，不采用排水集氣法而采用向上排空氣法收集二氧化碳氣體。在試卷里也常有此類內容的試題。實際上，排水集氣法可行且優于后者。

1.1 二氧化碳溶于水的過程

二氧化碳溶于水不是化學吸收過程，在常溫常壓下，它是一個服從亨利定律的可逆物理吸收過程。它包含二氧化碳的溶解、碳酸的生成和電離等過程（這里忽略碳酸的二級電離）的串聯：

根據雙膜理論，氣、液體在流動中互相接觸時，即使氣相（二氧化碳）和液相（水）的主體為湍流狀態，氣液相界面兩側存在著氣體滯流層（氣膜）和液體滯流層（液膜），對于溶解度較小的二氧化碳而言，從氣相主體到液相主體的吸收過程的總阻力主要由液膜阻力構成。這是因為CO2在滯流或靜止的液（水）膜里的運動以分子擴散為主，而根據計算[3]，CO2在水里的擴散系數很小，其數量級為10-5 cm2·s-1（在空氣中的擴散系數數量級為10-1 cm2·s-1），擴散阻力很大。

在排水集氣的操作中，二氧化碳氣體在集氣瓶的水里鼓泡向上運動時，被排擠的水下降速度很小，水的主體也屬滯流狀態，即使氣泡里的二氧化碳能迅速溶入相界面（氣泡球體表面），并達到氣液平衡，但CO2通過液膜和進而向水里擴散的阻力都很大，擴散速率很小。同理，集氣瓶里水平面上方的二氧化碳往下向水里的擴散速率也很小。在數秒的集氣操作過程中，二氧化碳幾乎來不及被水吸收。該法簡便可行。而且，集氣完成時直觀可見，無需其他檢驗方法，優于排空氣集氣法。

2 雨水里的二氧化碳問題

2.1 雨水里二氧化碳的由來

高中化學課本[4]提出：正常雨水偏酸性，pH約為5.6，這是因為大氣中的二氧化碳溶于雨水的緣故，酸雨是指pH小于5.6的降水。實際上，大氣中的二氧化碳含量很小，只有0.03%（體積），二氧化碳的分壓很小，它并不容易溶于降落中的雨水。對此，正確的認識應是：因為在降雨之前，大氣中的二氧化碳溶于云中由水蒸氣所凝聚形成的具有極大比表面積的微小水滴（云滴）里（后來這種微小水滴的大量聚集形成降雨）。

降雨以前，空中的水蒸氣遇冷空氣凝聚成微小水滴（云滴），其粒徑的數量級為101μm[5]，這微小水滴在空中聚集成云流動。大氣中的二氧化碳較易溶于云里微小水滴，其因：第一，它們具有極大的比表面積[單位體積（4πR3/3）水滴的表面積（4πR2）]為3/R，取直徑50μm即0.05mm計算，其比表面積為120 mm2·mm-3或1200 cm2·cm-3，亦即，每克水具有1200平方厘米的表面積，與空氣的接觸面極大；第二，降雨以前，浮云在空中的流動時間長，微小水滴（云滴）與空氣有足夠長的接觸時間。

2.2 酸雨pH的背景值

參考文獻：

[1]人民教育出版社化學課程教材研究開發中心.九年級化學上冊[M].北京：人民教育出版社，2012：114，116.

[2][3][8]鄭萍，陳明元.相平衡與CO2在水中的擴散速率[J].貴州教育學院學報（自然科學版），2004，15（2）：70.

[4][6]人民教育出版社化學課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書·化學1 [M].北京：人民教育出版社，2007：73.

[5]楊軍等編著.云降水物理學[M].北京：氣象出版社，2011：2.

[7][9]上海師范大學，福建師范大學.化工基礎（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2000：273.

摘要：根據二氧化碳溶解于水的有關相平衡計算和電離平衡計算結果以及CO2在滯流水里的擴散系數，分析了二氧化碳排水集氣過程，結果確定二氧化碳排水集氣法可行優越。雨水里的二氧化碳源自于降雨之前大氣中的二氧化碳溶解于云中由水蒸氣所凝聚形成的微小水滴（云滴）里。

關鍵詞：二氧化碳；排水集氣法；雨水

文章編號：1005–6629（2014）9–0093–02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 二氧化碳排水集氣法可行優越

最近版本的初中化學課本[1]仍指出，根據二氧化碳溶解于水生成碳酸的性質，不采用排水集氣法而采用向上排空氣法收集二氧化碳氣體。在試卷里也常有此類內容的試題。實際上，排水集氣法可行且優于后者。

1.1 二氧化碳溶于水的過程

二氧化碳溶于水不是化學吸收過程，在常溫常壓下，它是一個服從亨利定律的可逆物理吸收過程。它包含二氧化碳的溶解、碳酸的生成和電離等過程（這里忽略碳酸的二級電離）的串聯：

根據雙膜理論，氣、液體在流動中互相接觸時，即使氣相（二氧化碳）和液相（水）的主體為湍流狀態，氣液相界面兩側存在著氣體滯流層（氣膜）和液體滯流層（液膜），對于溶解度較小的二氧化碳而言，從氣相主體到液相主體的吸收過程的總阻力主要由液膜阻力構成。這是因為CO2在滯流或靜止的液（水）膜里的運動以分子擴散為主，而根據計算[3]，CO2在水里的擴散系數很小，其數量級為10-5 cm2·s-1（在空氣中的擴散系數數量級為10-1 cm2·s-1），擴散阻力很大。

在排水集氣的操作中，二氧化碳氣體在集氣瓶的水里鼓泡向上運動時，被排擠的水下降速度很小，水的主體也屬滯流狀態，即使氣泡里的二氧化碳能迅速溶入相界面（氣泡球體表面），并達到氣液平衡，但CO2通過液膜和進而向水里擴散的阻力都很大，擴散速率很小。同理，集氣瓶里水平面上方的二氧化碳往下向水里的擴散速率也很小。在數秒的集氣操作過程中，二氧化碳幾乎來不及被水吸收。該法簡便可行。而且，集氣完成時直觀可見，無需其他檢驗方法，優于排空氣集氣法。

2 雨水里的二氧化碳問題

2.1 雨水里二氧化碳的由來

高中化學課本[4]提出：正常雨水偏酸性，pH約為5.6，這是因為大氣中的二氧化碳溶于雨水的緣故，酸雨是指pH小于5.6的降水。實際上，大氣中的二氧化碳含量很小，只有0.03%（體積），二氧化碳的分壓很小，它并不容易溶于降落中的雨水。對此，正確的認識應是：因為在降雨之前，大氣中的二氧化碳溶于云中由水蒸氣所凝聚形成的具有極大比表面積的微小水滴（云滴）里（后來這種微小水滴的大量聚集形成降雨）。

降雨以前，空中的水蒸氣遇冷空氣凝聚成微小水滴（云滴），其粒徑的數量級為101μm[5]，這微小水滴在空中聚集成云流動。大氣中的二氧化碳較易溶于云里微小水滴，其因：第一，它們具有極大的比表面積[單位體積（4πR3/3）水滴的表面積（4πR2）]為3/R，取直徑50μm即0.05mm計算，其比表面積為120 mm2·mm-3或1200 cm2·cm-3，亦即，每克水具有1200平方厘米的表面積，與空氣的接觸面極大；第二，降雨以前，浮云在空中的流動時間長，微小水滴（云滴）與空氣有足夠長的接觸時間。

2.2 酸雨pH的背景值

參考文獻：

[1]人民教育出版社化學課程教材研究開發中心.九年級化學上冊[M].北京：人民教育出版社，2012：114，116.

[2][3][8]鄭萍，陳明元.相平衡與CO2在水中的擴散速率[J].貴州教育學院學報（自然科學版），2004，15（2）：70.

[4][6]人民教育出版社化學課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書·化學1 [M].北京：人民教育出版社，2007：73.

[5]楊軍等編著.云降水物理學[M].北京：氣象出版社，2011：2.

[7][9]上海師范大學，福建師范大學.化工基礎（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2000：273.

摘要：根據二氧化碳溶解于水的有關相平衡計算和電離平衡計算結果以及CO2在滯流水里的擴散系數，分析了二氧化碳排水集氣過程，結果確定二氧化碳排水集氣法可行優越。雨水里的二氧化碳源自于降雨之前大氣中的二氧化碳溶解于云中由水蒸氣所凝聚形成的微小水滴（云滴）里。

關鍵詞：二氧化碳；排水集氣法；雨水

文章編號：1005–6629（2014）9–0093–02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 二氧化碳排水集氣法可行優越

最近版本的初中化學課本[1]仍指出，根據二氧化碳溶解于水生成碳酸的性質，不采用排水集氣法而采用向上排空氣法收集二氧化碳氣體。在試卷里也常有此類內容的試題。實際上，排水集氣法可行且優于后者。

1.1 二氧化碳溶于水的過程

二氧化碳溶于水不是化學吸收過程，在常溫常壓下，它是一個服從亨利定律的可逆物理吸收過程。它包含二氧化碳的溶解、碳酸的生成和電離等過程（這里忽略碳酸的二級電離）的串聯：

根據雙膜理論，氣、液體在流動中互相接觸時，即使氣相（二氧化碳）和液相（水）的主體為湍流狀態，氣液相界面兩側存在著氣體滯流層（氣膜）和液體滯流層（液膜），對于溶解度較小的二氧化碳而言，從氣相主體到液相主體的吸收過程的總阻力主要由液膜阻力構成。這是因為CO2在滯流或靜止的液（水）膜里的運動以分子擴散為主，而根據計算[3]，CO2在水里的擴散系數很小，其數量級為10-5 cm2·s-1（在空氣中的擴散系數數量級為10-1 cm2·s-1），擴散阻力很大。

在排水集氣的操作中，二氧化碳氣體在集氣瓶的水里鼓泡向上運動時，被排擠的水下降速度很小，水的主體也屬滯流狀態，即使氣泡里的二氧化碳能迅速溶入相界面（氣泡球體表面），并達到氣液平衡，但CO2通過液膜和進而向水里擴散的阻力都很大，擴散速率很小。同理，集氣瓶里水平面上方的二氧化碳往下向水里的擴散速率也很小。在數秒的集氣操作過程中，二氧化碳幾乎來不及被水吸收。該法簡便可行。而且，集氣完成時直觀可見，無需其他檢驗方法，優于排空氣集氣法。

2 雨水里的二氧化碳問題

2.1 雨水里二氧化碳的由來

高中化學課本[4]提出：正常雨水偏酸性，pH約為5.6，這是因為大氣中的二氧化碳溶于雨水的緣故，酸雨是指pH小于5.6的降水。實際上，大氣中的二氧化碳含量很小，只有0.03%（體積），二氧化碳的分壓很小，它并不容易溶于降落中的雨水。對此，正確的認識應是：因為在降雨之前，大氣中的二氧化碳溶于云中由水蒸氣所凝聚形成的具有極大比表面積的微小水滴（云滴）里（后來這種微小水滴的大量聚集形成降雨）。

降雨以前，空中的水蒸氣遇冷空氣凝聚成微小水滴（云滴），其粒徑的數量級為101μm[5]，這微小水滴在空中聚集成云流動。大氣中的二氧化碳較易溶于云里微小水滴，其因：第一，它們具有極大的比表面積[單位體積（4πR3/3）水滴的表面積（4πR2）]為3/R，取直徑50μm即0.05mm計算，其比表面積為120 mm2·mm-3或1200 cm2·cm-3，亦即，每克水具有1200平方厘米的表面積，與空氣的接觸面極大；第二，降雨以前，浮云在空中的流動時間長，微小水滴（云滴）與空氣有足夠長的接觸時間。

2.2 酸雨pH的背景值

參考文獻：

[1]人民教育出版社化學課程教材研究開發中心.九年級化學上冊[M].北京：人民教育出版社，2012：114，116.

[2][3][8]鄭萍，陳明元.相平衡與CO2在水中的擴散速率[J].貴州教育學院學報（自然科學版），2004，15（2）：70.

[4][6]人民教育出版社化學課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書·化學1 [M].北京：人民教育出版社，2007：73.

[5]楊軍等編著.云降水物理學[M].北京：氣象出版社，2011：2.

[7][9]上海師范大學，福建師范大學.化工基礎（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2000：273.