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數粒子,不論種類:依數性與滲透

撒在結冰路面上的鹽、引擎裡的防凍液、湧進枯萎植物根部的水——這一切都源自一個令人驚訝的事實:溶液的某些性質只取決於你溶解了多少個粒子,而不取決於它們是什麼。來認識依數性。

數人頭的性質

這是這一階裡最可愛的驚喜之一。溶液有那麼幾個性質,根本不在乎你溶進去的是什麼——糖、鹽、防凍液,都沒有區別——它們只在乎你放進去了多少個粒子。把溶解粒子的數目翻一倍,效應也翻一倍,無論那些粒子碰巧是什麼。這些就是依數性,這個詞的拉丁詞根意思是「靠數數捆在一起」。

經典的依數性有四個,而它們全都能追溯到一個你已經認識的共同原因:溶進溶質會降低溶劑的蒸氣壓,正如拉午耳定律所許諾的那樣。從這一個不動聲色的變化裡,流淌出一些大得驚人的、日常的後果。

沸點升高

當一種液體的蒸氣壓終於升高到與壓在它上方的空氣壓力相等時,它就沸騰。但溶進溶質已經降低了那個蒸氣壓——所以你必須把溶液加熱得比平常更燙,才能把蒸氣壓重新推回到沸騰所需的程度。溶液在比純溶劑更高的溫度下才沸騰。這就是沸點升高

往煮義大利麵的水裡加鹽確實會提高它的沸點——但說實話,按廚房裡那點用量,也就升高零點幾度,遠不足以讓麵條煮得更快。加鹽其實是為了調味。這個效應是真實而可預測的;只是除非溶液相當濃,否則它很小。

凝固點降低

鏡像的那一面更戲劇化。溶解的粒子擋在溶劑分子的路上,妨礙它們排列成有序的固體晶體,所以溶液必須被冷卻到比正常凝固點更低,才能結冰。這就是凝固點降低,也正是我們往結冰路面上撒鹽的原因:鹽水能在遠低於0°C時仍保持液態,於是冰就融化、而不再凍著了。

同樣的把戲,灌滿了汽車水箱裡的防凍液,也讓冷凍甜點保持可以挖動的柔軟、而不是硬得像磚頭。因為這兩種偏移的大小都由濃度決定,化學家用重量莫耳濃度——前面那個不怕溫度的量——來計量這些性質,這樣即便液體忽冷忽熱,數字也能保持誠實。

滲透壓:會推動的水

第四個、也是最強有力的依數性,出現在任何「讓水通過卻擋住溶質」的膜兩側——這種結構存在於每一個活細胞中。水會自發地從稀的一側流向濃的一側,彷彿想把擁擠程度抹平。要阻止這股流動、你必須施加的那個壓力,就是滲透壓

滲透壓可以大得驚人——強到足以把樹液送上一棵高樹,也足以把一顆落進純水裡的紅血球脹破。這正是為什麼醃肉能防腐(水被從微生物體內吸出,讓它們脫水),也是為什麼枯萎的植物澆水後會重新挺立(水流進它的細胞、把它們撐硬)。

玄機所在:要數清每一個粒子

有一個值得記住的陷阱。依數性數的是溶液中的粒子,所以要緊的是每個「化學式單元」最終變成了多少個粒子。溶解糖,一個分子還是一個粒子。但溶解食鹽,它會一分為二——鈉和氯各自散開——於是它帶來的依數性效力大約是兩倍。像這樣會裂成離子的溶質,形成的就是電解質溶液

所以一莫耳鹽讓凝固點降低的幅度,大約是一莫耳糖的兩倍——不是因為鹽有什麼特別,而是因為它每個單元會以兩個粒子的身份出現。永遠要問:這東西溶解時,我實際得到了多少個獨立的粒子?把人頭數對了,依數性效應就隨之而來。