问题

把一些水用密封容器装起来加热到上万度(甚至更高)可否溶解很多的溶质?

回答
当然可以。把水在密封容器里加热到上万度,这已经不是我们日常生活中所熟知的水了,它的状态会发生翻天覆地的变化,溶解能力也会随之急剧增强。

首先,我们需要明白,我们日常接触到的水,是液态的。但当温度达到上万度,甚至更高时,水分子会完全分解,氢原子和氧原子会以极高的能量运动,形成所谓的“等离子体”状态。

等离子体:第四种物质状态

物质通常有固态、液态、气态这三种状态。但当物质被加热到极高的温度时,原子中的电子会被剥离,形成由带正电的原子核和带负电的自由电子组成的集合体,这就是等离子体。在宇宙中,等离子体是占主导地位的物质状态,比如恒星内部、闪电、极光等都属于等离子体。

水变成等离子体后的性质

当水(H₂O)被加热到上万度时,首先会变成高温蒸汽,然后随着温度进一步升高,水分子会分解成氢原子和氧原子。当温度足够高时,这些原子核外的电子会被剥离,形成氢离子(H⁺)、氧离子(O²⁻)以及自由电子。这就是水等离子体。

极高的能量: 等离子体中的粒子拥有极高的动能,它们会以非常快的速度运动并相互碰撞。
强烈的电离: 物质已经高度电离,带电粒子之间会产生强大的电磁相互作用。

溶解能力的提升

在等离子体状态下,水的溶解能力会大大增强,原因主要有以下几点:

1. 高能粒子撞击: 等离子体中的高能粒子会以极高的速度撞击溶质的分子或原子。这种剧烈的撞击能够轻易地打断溶质内部的化学键,使其分解成更小的、更易于被水等离子体中的离子捕获的单元。就好比你用一把锤子去砸一块石头,锤子越重,石头碎得越厉害。
2. 离子间的强相互作用: 水分解产生的氢离子、氧离子以及自由电子,本身就是极具活性的带电粒子。这些离子会与溶质中的带电部分(如果是离子化合物)或极性部分(如果是极性分子)产生极强的静电吸引力。这种吸引力能够有效地将溶质粒子从其固有的结构中拉出来,并分散到水等离子体中。
3. 化学反应的促进: 在极高的温度和高能粒子的作用下,水等离子体中的氢和氧原子以及它们形成的离子,本身就可能与许多溶质发生剧烈的化学反应。这些反应会进一步分解溶质,并将其转化为水等离子体更容易吸收的形式。例如,某些金属在高温下可能与氧气(来自水分解)反应生成氧化物,而这些氧化物又可能在高温的水等离子体中被进一步溶解或反应。
4. 溶质的分解: 许多我们认为“难溶”的物质,比如一些金属氧化物、碳化物,甚至是陶瓷材料,在日常温度下是稳定的。但当它们暴露在上万度的等离子体环境中时,其本身的化学键也会被击破。例如,碳化硅(SiC)在高温下可以分解为硅和碳,这些分解后的元素或其离子,在水等离子体中溶解的可能性会大大增加。

密封容器的重要性

使用密封容器进行加热至关重要。原因在于:

防止物质逸散: 在如此高的温度下,普通的水会迅速气化,并且一旦暴露在空气中,高温的氢和氧还会与空气中的其他物质发生剧烈反应,甚至爆炸。密封容器可以阻止这些高能物质的逸散。
维持反应环境: 密封容器能够保持反应体系内的压力,这对于某些在高温下可能发生的相变和化学反应有重要影响。同时,也能够阻止外界杂质进入,保持反应的纯粹性。
能量的有效利用: 密封可以阻止热量的快速散失,确保加热过程能够达到所需的极高温度,并使水尽可能地完全分解成等离子体。

举例说明

假设我们试图溶解金(Au)。在常温常压下,金是一种非常稳定的金属,几乎不与任何物质反应,自然也无法溶解在普通水中。

但如果我们将金块置于密封容器中,并加入一定量的水,然后将整个容器加热到上万度。首先,水会变成水等离子体。接着,构成金的原子(Au)会受到水等离子体中高能氢离子(H⁺)、氧离子(O²⁻)以及电子的强烈冲击。金原子之间的金属键会被击破,金原子本身也会在高能碰撞中被剥离电子,形成金离子(Au⁺、Au³⁺等)。这些金离子将极有可能被带电的水等离子体粒子所包围和稳定化,从而实现“溶解”。

甚至更极端的情况下,例如某些陶瓷材料,如氧化铝(Al₂O₃)。在常温下,氧化铝是极难溶解的。但到了上万度,构成氧化铝的铝原子和氧原子会被强行从晶格中剥离,分解成离子。这些离子在水等离子体环境中,会与水等离子体中的氢离子、氧离子发生复杂的相互作用,并且被高能粒子所稳定,从而实现溶解。

总结

将水加热到上万度,使其变成高度电离的等离子体状态,会赋予其前所未有的溶解能力。高能粒子的撞击、强烈的离子相互作用以及可能发生的化学反应,能够极大地促进溶质的分解和分散。在这种极端条件下,许多在常温下看起来坚不可摧、难以溶解的物质,都有可能被“溶解”。这本质上是一种能量和粒子活性的极致体现,远超出了我们对普通溶解过程的理解。

网友意见

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脑洞不错,而事实上达不到也不需要上万度。

当然,首先,看看有没有上万度的水——

臣妾做不到啊!
液态水的临界点在647K。温度再高,就超过临界点,气体和液体之间的区别消失,成了超临界流体了

超临界流体有很多特殊性质,最常用的一种是超临界流体萃取(Supercritical Fluid Extraction),通常用超临界二氧化碳(临界点只有31摄氏度)。很多有机物质在其中溶解度很好,而要提取溶质只需简单的减压,溶剂重新变成气体自己跑掉了。脱咖啡因的茶叶和咖啡啊、天然色素和精油啊,都是这么搞出来的,真是居家旅行必备良药。

至于你关心的超临界水,水的临界点太高了,所以用水来做萃取的比较少。
但是还是有的啦!
比如有些极性的污染物:多环芳烃和衍生物
Hawthorne, Steven B., Yu Yang, and David J. Miller. "Extraction of organic pollutants from environmental solids with sub-and supercritical water."Analytical Chemistry 66.18 (1994): 2912-2920.
Extraction of Organic Pollutants from Environmental Solids with Sub- and Supercritical Water

比如氯化钠和硫酸钠,你关心的盐类

Armellini, Fred J., and Jefferson W. Tester. "Solubility of sodium chloride and sulfate in sub-and supercritical water vapor from 450–550 C and 100–250 bar."Fluid Phase Equilibria 84 (1993): 123-142.

Solubility of sodium chloride and sulfate in sub- and supercritical water vapor from 450

摘要里说

Measured sodium chloride concentrations ranged from 0.9–101 ppm (by weight)

按重量计最高的溶解度是 101 ppm(百万分之一),也就是 1g 超临界水的话溶解 0.1 mg 的氯化钠。而硫酸钠的溶解度差不多是氯化钠的1%

哎呀,好像不是很高哎

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