中学化学中二氧化碳溶于水的问题

摘要：根据二氧化碳溶解于水的有关相平衡计算和电离平衡计算结果以及CO2在滞流水里的扩散系数，分析了二氧化碳排水集气过程，结果确定二氧化碳排水集气法可行优越。雨水里的二氧化碳源自于降雨之前大气中的二氧化碳溶解于云中由水蒸气所凝聚形成的微小水滴（云滴）里。

关键词：二氧化碳；排水集气法；雨水

文章编号：1005–6629（2014）9–0093–02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 二氧化碳排水集气法可行优越

最近版本的初中化学课本[1]仍指出，根据二氧化碳溶解于水生成碳酸的性质，不采用排水集气法而采用向上排空气法收集二氧化碳气体。在试卷里也常有此类内容的试题。实际上，排水集气法可行且优于后者。

1.1 二氧化碳溶于水的过程

二氧化碳溶于水不是化学吸收过程，在常温常压下，它是一个服从亨利定律的可逆物理吸收过程。它包含二氧化碳的溶解、碳酸的生成和电离等过程（这里忽略碳酸的二级电离）的串联：

根据双膜理论，气、液体在流动中互相接触时，即使气相（二氧化碳）和液相（水）的主体为湍流状态，气液相界面两侧存在着气体滞流层（气膜）和液体滞流层（液膜），对于溶解度较小的二氧化碳而言，从气相主体到液相主体的吸收过程的总阻力主要由液膜阻力构成。这是因为CO2在滞流或静止的液（水）膜里的运动以分子扩散为主，而根据计算[3]，CO2在水里的扩散系数很小，其数量级为10-5 cm2·s-1（在空气中的扩散系数数量级为10-1 cm2·s-1），扩散阻力很大。

在排水集气的操作中，二氧化碳气体在集气瓶的水里鼓泡向上运动时，被排挤的水下降速度很小，水的主体也属滞流状态，即使气泡里的二氧化碳能迅速溶入相界面（气泡球体表面），并达到气液平衡，但CO2通过液膜和进而向水里扩散的阻力都很大，扩散速率很小。同理，集气瓶里水平面上方的二氧化碳往下向水里的扩散速率也很小。在数秒的集气操作过程中，二氧化碳几乎来不及被水吸收。该法简便可行。而且，集气完成时直观可见，无需其他检验方法，优于排空气集气法。

2 雨水里的二氧化碳问题

2.1 雨水里二氧化碳的由来

高中化学课本[4]提出：正常雨水偏酸性，pH约为5.6，这是因为大气中的二氧化碳溶于雨水的缘故，酸雨是指pH小于5.6的降水。实际上，大气中的二氧化碳含量很小，只有0.03%（体积），二氧化碳的分压很小，它并不容易溶于降落中的雨水。对此，正确的认识应是：因为在降雨之前，大气中的二氧化碳溶于云中由水蒸气所凝聚形成的具有极大比表面积的微小水滴（云滴）里（后来这种微小水滴的大量聚集形成降雨）。

降雨以前，空中的水蒸气遇冷空气凝聚成微小水滴（云滴），其粒径的数量级为101μm[5]，这微小水滴在空中聚集成云流动。大气中的二氧化碳较易溶于云里微小水滴，其因：第一，它们具有极大的比表面积[单位体积（4πR3/3）水滴的表面积（4πR2）]为3/R，取直径50μm即0.05mm计算，其比表面积为120 mm2·mm-3或1200 cm2·cm-3，亦即，每克水具有1200平方厘米的表面积，与空气的接触面极大；第二，降雨以前，浮云在空中的流动时间长，微小水滴（云滴）与空气有足够长的接触时间。

2.2 酸雨pH的背景值

参考文献：

[1]人民教育出版社化学课程教材研究开发中心.九年级化学上册[M].北京：人民教育出版社，2012：114，116.

[2][3][8]郑萍，陈明元.相平衡与CO2在水中的扩散速率[J].贵州教育学院学报（自然科学版），2004，15（2）：70.

[4][6]人民教育出版社化学课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书·化学1 [M].北京：人民教育出版社，2007：73.

[5]杨军等编著.云降水物理学[M].北京：气象出版社，2011：2.

[7][9]上海师范大学，福建师范大学.化工基础（上册）[M].北京：高等教育出版社，2000：273.

摘要：根据二氧化碳溶解于水的有关相平衡计算和电离平衡计算结果以及CO2在滞流水里的扩散系数，分析了二氧化碳排水集气过程，结果确定二氧化碳排水集气法可行优越。雨水里的二氧化碳源自于降雨之前大气中的二氧化碳溶解于云中由水蒸气所凝聚形成的微小水滴（云滴）里。

关键词：二氧化碳；排水集气法；雨水

文章编号：1005–6629（2014）9–0093–02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 二氧化碳排水集气法可行优越

最近版本的初中化学课本[1]仍指出，根据二氧化碳溶解于水生成碳酸的性质，不采用排水集气法而采用向上排空气法收集二氧化碳气体。在试卷里也常有此类内容的试题。实际上，排水集气法可行且优于后者。

1.1 二氧化碳溶于水的过程

二氧化碳溶于水不是化学吸收过程，在常温常压下，它是一个服从亨利定律的可逆物理吸收过程。它包含二氧化碳的溶解、碳酸的生成和电离等过程（这里忽略碳酸的二级电离）的串联：

根据双膜理论，气、液体在流动中互相接触时，即使气相（二氧化碳）和液相（水）的主体为湍流状态，气液相界面两侧存在着气体滞流层（气膜）和液体滞流层（液膜），对于溶解度较小的二氧化碳而言，从气相主体到液相主体的吸收过程的总阻力主要由液膜阻力构成。这是因为CO2在滞流或静止的液（水）膜里的运动以分子扩散为主，而根据计算[3]，CO2在水里的扩散系数很小，其数量级为10-5 cm2·s-1（在空气中的扩散系数数量级为10-1 cm2·s-1），扩散阻力很大。

在排水集气的操作中，二氧化碳气体在集气瓶的水里鼓泡向上运动时，被排挤的水下降速度很小，水的主体也属滞流状态，即使气泡里的二氧化碳能迅速溶入相界面（气泡球体表面），并达到气液平衡，但CO2通过液膜和进而向水里扩散的阻力都很大，扩散速率很小。同理，集气瓶里水平面上方的二氧化碳往下向水里的扩散速率也很小。在数秒的集气操作过程中，二氧化碳几乎来不及被水吸收。该法简便可行。而且，集气完成时直观可见，无需其他检验方法，优于排空气集气法。

2 雨水里的二氧化碳问题

2.1 雨水里二氧化碳的由来

高中化学课本[4]提出：正常雨水偏酸性，pH约为5.6，这是因为大气中的二氧化碳溶于雨水的缘故，酸雨是指pH小于5.6的降水。实际上，大气中的二氧化碳含量很小，只有0.03%（体积），二氧化碳的分压很小，它并不容易溶于降落中的雨水。对此，正确的认识应是：因为在降雨之前，大气中的二氧化碳溶于云中由水蒸气所凝聚形成的具有极大比表面积的微小水滴（云滴）里（后来这种微小水滴的大量聚集形成降雨）。

降雨以前，空中的水蒸气遇冷空气凝聚成微小水滴（云滴），其粒径的数量级为101μm[5]，这微小水滴在空中聚集成云流动。大气中的二氧化碳较易溶于云里微小水滴，其因：第一，它们具有极大的比表面积[单位体积（4πR3/3）水滴的表面积（4πR2）]为3/R，取直径50μm即0.05mm计算，其比表面积为120 mm2·mm-3或1200 cm2·cm-3，亦即，每克水具有1200平方厘米的表面积，与空气的接触面极大；第二，降雨以前，浮云在空中的流动时间长，微小水滴（云滴）与空气有足够长的接触时间。

2.2 酸雨pH的背景值

参考文献：

[1]人民教育出版社化学课程教材研究开发中心.九年级化学上册[M].北京：人民教育出版社，2012：114，116.

[2][3][8]郑萍，陈明元.相平衡与CO2在水中的扩散速率[J].贵州教育学院学报（自然科学版），2004，15（2）：70.

[4][6]人民教育出版社化学课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书·化学1 [M].北京：人民教育出版社，2007：73.

[5]杨军等编著.云降水物理学[M].北京：气象出版社，2011：2.

[7][9]上海师范大学，福建师范大学.化工基础（上册）[M].北京：高等教育出版社，2000：273.

摘要：根据二氧化碳溶解于水的有关相平衡计算和电离平衡计算结果以及CO2在滞流水里的扩散系数，分析了二氧化碳排水集气过程，结果确定二氧化碳排水集气法可行优越。雨水里的二氧化碳源自于降雨之前大气中的二氧化碳溶解于云中由水蒸气所凝聚形成的微小水滴（云滴）里。

关键词：二氧化碳；排水集气法；雨水

文章编号：1005–6629（2014）9–0093–02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 二氧化碳排水集气法可行优越

最近版本的初中化学课本[1]仍指出，根据二氧化碳溶解于水生成碳酸的性质，不采用排水集气法而采用向上排空气法收集二氧化碳气体。在试卷里也常有此类内容的试题。实际上，排水集气法可行且优于后者。

1.1 二氧化碳溶于水的过程

二氧化碳溶于水不是化学吸收过程，在常温常压下，它是一个服从亨利定律的可逆物理吸收过程。它包含二氧化碳的溶解、碳酸的生成和电离等过程（这里忽略碳酸的二级电离）的串联：

根据双膜理论，气、液体在流动中互相接触时，即使气相（二氧化碳）和液相（水）的主体为湍流状态，气液相界面两侧存在着气体滞流层（气膜）和液体滞流层（液膜），对于溶解度较小的二氧化碳而言，从气相主体到液相主体的吸收过程的总阻力主要由液膜阻力构成。这是因为CO2在滞流或静止的液（水）膜里的运动以分子扩散为主，而根据计算[3]，CO2在水里的扩散系数很小，其数量级为10-5 cm2·s-1（在空气中的扩散系数数量级为10-1 cm2·s-1），扩散阻力很大。

在排水集气的操作中，二氧化碳气体在集气瓶的水里鼓泡向上运动时，被排挤的水下降速度很小，水的主体也属滞流状态，即使气泡里的二氧化碳能迅速溶入相界面（气泡球体表面），并达到气液平衡，但CO2通过液膜和进而向水里扩散的阻力都很大，扩散速率很小。同理，集气瓶里水平面上方的二氧化碳往下向水里的扩散速率也很小。在数秒的集气操作过程中，二氧化碳几乎来不及被水吸收。该法简便可行。而且，集气完成时直观可见，无需其他检验方法，优于排空气集气法。

2 雨水里的二氧化碳问题

2.1 雨水里二氧化碳的由来

高中化学课本[4]提出：正常雨水偏酸性，pH约为5.6，这是因为大气中的二氧化碳溶于雨水的缘故，酸雨是指pH小于5.6的降水。实际上，大气中的二氧化碳含量很小，只有0.03%（体积），二氧化碳的分压很小，它并不容易溶于降落中的雨水。对此，正确的认识应是：因为在降雨之前，大气中的二氧化碳溶于云中由水蒸气所凝聚形成的具有极大比表面积的微小水滴（云滴）里（后来这种微小水滴的大量聚集形成降雨）。

降雨以前，空中的水蒸气遇冷空气凝聚成微小水滴（云滴），其粒径的数量级为101μm[5]，这微小水滴在空中聚集成云流动。大气中的二氧化碳较易溶于云里微小水滴，其因：第一，它们具有极大的比表面积[单位体积（4πR3/3）水滴的表面积（4πR2）]为3/R，取直径50μm即0.05mm计算，其比表面积为120 mm2·mm-3或1200 cm2·cm-3，亦即，每克水具有1200平方厘米的表面积，与空气的接触面极大；第二，降雨以前，浮云在空中的流动时间长，微小水滴（云滴）与空气有足够长的接触时间。

2.2 酸雨pH的背景值

参考文献：

[1]人民教育出版社化学课程教材研究开发中心.九年级化学上册[M].北京：人民教育出版社，2012：114，116.

[2][3][8]郑萍，陈明元.相平衡与CO2在水中的扩散速率[J].贵州教育学院学报（自然科学版），2004，15（2）：70.

[4][6]人民教育出版社化学课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书·化学1 [M].北京：人民教育出版社，2007：73.

[5]杨军等编著.云降水物理学[M].北京：气象出版社，2011：2.

[7][9]上海师范大学，福建师范大学.化工基础（上册）[M].北京：高等教育出版社，2000：273.