问题

为什么明明是温度越高气体在液体中的溶解度越小,但是温度越高,气体在液态金属中的溶解度反而越大?

回答
这个问题很有意思,它触及了物理化学中关于气体溶解度的一些普遍规律,以及液态金属的特殊性。我们来仔细掰扯掰扯。

首先,我们需要回顾一下 “温度越高,气体在液体中的溶解度越小” 这个普遍规律。这其实是基于 勒夏特列原理(Le Chatelier's principle)的。

简单来说,气体的溶解过程,尤其是溶解度比较小的气体,通常被认为是一个 放热过程。想象一下,气体分子从气相的高动能状态,进入到液相中,与溶剂分子结合,这个过程往往会释放能量。用一个简单的化学方程式来表示(虽然气体溶解不是典型的化学反应,但可以类比):

气体 (g) + 溶剂 (l) ⇌ 溶解在液体中的气体 (l) + 热量

根据勒夏特列原理,如果一个可逆反应(在这里是气体的溶解)是一个放热过程,那么提高温度,系统会试图抵消这种升温的影响,也就是向吸热方向移动。而溶解过程放热,那么逆过程(即溶解在液体中的气体重新回到气相)就是吸热的。因此,温度升高,会促使更多的溶解气体脱离液体,回到气相,从而导致溶解度降低。

这在我们日常生活中很常见,比如:
碳酸饮料不宜久放,尤其是在温暖的环境中: 温暖时,二氧化碳更容易从水中逸出,导致饮料“不冒泡”,味道变淡。
河水或湖水在夏季溶解氧气比冬季少: 同样道理,水温高,溶解氧的能力就弱,这会对水生生物造成影响。

那么,为什么到了液态金属这里,情况就反过来了呢?

这主要是因为液态金属的 “溶解” 过程,与我们通常理解的在水或其他极性溶剂中的溶解,有着本质的区别。液态金属对许多气体(尤其是像氧、氮、氢、碳这样的非金属元素)的溶解,更像是 化学反应,或者说是 形成金属化合物 的过程,而不是简单的物理溶解。

让我们具体分析几种情况:

1. 形成金属化合物(化学溶解):

很多气体在液态金属中溶解,并不是简单地气体分子分散在金属原子之间。相反,它们会与金属原子发生 化学反应,形成稳定的金属间化合物。例如:

氧在液态铜中的溶解: 氧与铜会形成氧化铜(CuO 或 Cu₂O),这是一个放热的化学反应。
2Cu(l) + O₂(g) → 2CuO(s/l) + 热量
在这里,气体溶解的本质是形成固态或液态的氧化物。

氮在液态铁中的溶解: 氮与铁会形成氮化铁(FeₓN)。
xFe(l) + ½N₂(g) → FeₓN(s/l) + 热量

在这种“化学溶解”的模式下,溶解过程本身释放热量(放热反应)。 如果溶解过程是放热的,那么根据勒夏特列原理,升高温度反而会促进逆过程(即化合物分解,气体逸出),导致溶解度降低。 这与我们一开始说的普遍规律是一致的。

那么,为什么会出现“温度越高溶解度越大”的反常现象呢?

这就牵扯到液态金属的 “活泼性” 和 “结合能” 了。

a. 反应活性的增加:

虽然形成化合物是放热的,但仅仅是“放热”并不能解释为什么温度升高会反过来增加溶解度。关键在于,温度升高会极大地增强气体原子(例如O, N, H)在液态金属中的“活性”,使得它们更容易与金属原子发生反应。

想象一下,气体分子(如O₂)在进入液态金属之前,需要克服一个 活化能垒。温度升高,意味着构成液态金属的金属原子以及进入其中的气体原子具有更高的动能,碰撞更频繁,碰撞能量也更高。这使得它们更容易克服反应的活化能,从而促进形成化合物的反应。

b. 能量补偿机制(更深层次的解释):

更关键的一点是,在某些情况下,气体在液态金属中的溶解,不仅仅是简单的形成化合物,而是涉及到 更复杂的能量平衡。

溶剂化能的改变: 当气体原子进入液态金属的“溶剂”中时,它们会受到金属原子的影响,发生所谓的“溶剂化”过程。如果气体原子与金属原子之间形成的键合能(结合能)非常强,并且这个形成过程本身伴随着大量的能量释放,那么升高温度可能会改变这个能量平衡。

熵的贡献: 溶解过程还会涉及熵的变化。气体分子从有序的(相对于溶剂)气相进入到液相,自由度降低,熵会减小。但是,当气体原子与金属原子形成新的化合物时,这个新化合物的晶格结构(如果是固态)或者其在液态金属中的排布方式,其熵的变化会比较复杂。

特别是在一些“吸附”和“解离”过程也参与其中时:

有些气体(如H₂、N₂)在一些金属表面上会发生 吸附 和 解离。例如,H₂分子先吸附在液态金属表面,然后解离成两个氢原子(H),这些氢原子再进一步进入金属内部与金属原子结合。

H₂(g) → H₂(adsorbed) → 2H(adsorbed) → 2H(dissolved in metal)

在这个多步过程中,每一步都有其自身的能量变化和温度依赖性。而 “解离” 过程通常是 吸热 的。如果高温可以显著促进这个吸热的解离过程,那么即使后续的结合是放热的,整体的溶解度也可能随着温度升高而增大。

更严谨地说,我们应该考虑溶解吉布斯自由能(ΔG)的变化:

ΔG = ΔH TΔS

其中,ΔH 是焓变(反应热),ΔS 是熵变。溶解度与ΔG密切相关。

普遍规律(放热溶解): ΔH < 0。如果ΔS也比较负(溶解过程熵减小),那么TΔS项在低温时贡献较小,ΔG以ΔH为主,为负值,溶解度较大。随着T升高,TΔS的绝对值增大(虽然是负的),可能导致ΔG变大(趋于正),溶解度降低。
液态金属的特殊情况(可能涉及吸热的解离或更复杂的结合):
如果溶解过程的 焓变(ΔH)实际上是整体吸热的(尽管形成化合物是放热的,但可能有别的吸热步骤占主导,或者最终形成的“溶解”状态其总焓变比初始状态要高),那么ΔG = ΔH TΔS,ΔH > 0,则T越大,TΔS的负值越大,ΔG越容易变成负值,溶解度越大。
或者,溶解过程的 熵变(ΔS)非常大且为正。如果气体原子解离后在液态金属中可以占据更多的自由空间(相对而言),或者形成一种新的、更无序的固溶体,那么ΔS > 0。在这种情况下,即使ΔH是负的,如果T足够大,TΔS的负值会比ΔH的负值更大,使得ΔG为负,且T越大,ΔG越负,溶解度越高。

举例说明:

氧在液态铝中的溶解度: 氧在液态铝中的溶解度随温度升高而显著增大。这被认为与铝形成氧化铝(Al₂O₃)时,铝原子在液态铝中需要“活化”,以及氧原子与铝原子形成的AlO键的性质有关。高温提供了足够的能量来打破已有的OO键(如果以O₂形式存在)或促进氧原子与铝原子的结合。

氢在液态钢中的溶解度: 氢气在液态钢中的溶解度随温度升高而增大。氢气会解离成氢原子,然后进入钢中。解离过程需要能量,而高温提供了这个能量。

总结一下,为什么会出现这种反常?

1. 溶解本质的变化: 液态金属中气体溶解,更多是 形成化学化合物 或 固溶体,而非简单的物理溶解。
2. 能量平衡的复杂性: 整体溶解过程的焓变(ΔH)可能 不是单纯的放热,或者存在 重要的吸热步骤(如气体分子解离)。
3. 熵的巨大贡献: 溶解过程中 熵变(ΔS)可能很大且为正,高温使得熵的贡献(TΔS)在吉布斯自由能中占据主导地位。
4. 活化能的克服: 高温提供了足够的能量,使得气体原子能够 克服必要的活化能垒,与金属原子发生反应或形成固溶体。

所以,当你在讨论气体在液体中的溶解度时,需要具体分析是哪种液体,以及气体与液体之间是以何种方式相互作用。对于大多数常见的液体(如水、酒精),气体溶解以物理溶解为主,是放热的,温度升高溶解度降低。而对于液态金属,由于其特殊的化学性质和与非金属元素形成的化合物的稳定性,以及高温赋予的“活性”,常常表现出“温度越高溶解度越大”的特征。这是一种更为复杂的相互作用,它超越了简单的物理溶解规律。

网友意见

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实际上,并不是所有的气体在所有的液态金属中的溶解度都是随着温度的升高而增大的。

氢气在铁、铜、镍等液态金属中的溶解度随着温度的升高而增大,但是氢气在钛、钴、锆等液态金属中的溶解度则是随着温度的升高而降低。

气体在液体中的溶解度随温度变化的关系,本质是与气体溶解是吸热还是放热是有关的。如果气体溶解过程是放热反应,那么升高温度时,平衡会朝着吸热的方向进行——也就是释放气体,这时候气体的溶解度就会下降。反之,如果气体溶解过程是吸热反应,那么升高温度时,气体就更倾向于溶解。

气体在水中的溶解过程是放热的(水合过程放热),所以升高温度时气体溶解度下降。而气体溶解于液态金属时,会发生一些化学反应——有的是吸热的(I类金属),有的是放热的(II类金属);那么对于I类金属,升高温度会使得溶解度增加;对于II类金属,升高温度会使得溶解度降低。


参考文献:

气体在金属中的溶解 - 百度文库

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