我们为什么没有被二氧化碳和氩气“淹没”

——老华与老温的聊天

老温：嗨！老华！

老华：又在看杂志？

老温：是啊，你看，氢气球飘过一个省，最后爆炸烧伤了人。

老华：走吧，我们边走边说。

老温：好，边走边说。你是学科学的，氢气是不是因为轻才叫氢气的？

老华：是的，最早翻译的时候就是这样的意思，因为氢气最轻，所以造了一个氢字。同样，氧气就是因为我们呼吸的需要，呼吸了氧气才能够“营养”，又造了一个氧字。

老温：对，营养最早的意思就是养活生命。那么，氢气为什么轻呢？

老华：一般情况下，气体分子之间的距离，远远比分子的体积大许许多多倍，这样，我们可以把气体中的分子看成一个个小的质点。在这种情况下，决定气体的体积、压强等性质的，就是其中分子数量的多少。在不很低的温度及不很大的压强的情况下，所有具有相同数目分子的气体都具有相同的体积。

老温：你是不是说，就在我们现在室内这样的的温度和压力的条件下，比如一万亿的氢分子和一万亿个氧分子有相同的体积？

老华：差不多正是如此。（我们有时候常常把压强说成压力，比如说压力是多少个大气压，严格地说，这不科学，应当说压强是多少个大气压，但是大家说惯了，对方理解，也就这样了。）

老温：如果分子数目一样，体积就一样，那么，单个分子比较重的气体，它的比重也比较大。

老华：说得不错，如果咬文嚼字一下，就是单个分子质量大的，气体的密度也大。因此，看看气体分子的分子量，就可以知道气体的相对密度。一个氢分子有两个氢原子，氢原子的原子量是1，氢分子的分子量就是2。同样，氧分子的分子量就是32，氮分子的分子量是28，空气中差不多是近4/5的氮气，1/5多一点的氧气，还有一些惰性气体（例如氩气占近1%，原子量40）、二氧化碳（占0.03%，分子量44）等等，平均起来，空气的“分子量”就是差不多29。如果我们把氢气的相对比重定为2，那么氮气、氧气、氩气和二氧化碳的相对比重就分别是28、32、40和44，作为它们的平均，空气的相对比重就是29。

老温：哦，原来如此。这样，氢气的比重比空气小这么多，怪不到氢气球能够飞上天了。听你这么一说，我倒想起了另一个问题。既然氮分子的分子量比氧分子小，那么氮气的比重会小于氧气。为什么氮气不跑到氧气的上面，从而使得大气中上层都是氮气，底下都是氧气呢？

老华：你确实提出一个很有趣味的问题。氮气的比重确实比氧气小，如果我们做一个又薄又大的气球，里面充满了氮气。由于氮气比重是28，空气是29，只要这个气球足够大又足够薄，它还是能够飞上天的。至于氮气会不会都跑到氧气的上方，你先回答我一个问题，比较轻的气球，例如充氢气、氦气（相对比重4）的气球，为什么能够飞上天？

老温：那是由于空气的浮力啊。根据阿基米德浮力定律，物体在空气中所受浮力，等于它排开空气的重量。这样，比空气比重小的物体，就能够向上浮起。

老华：为什么会有阿基米德浮力定律？

老温：这个我有点说不好。

老华：一个物体在气体或液体中所受到的浮力，是因为这个物体上下的压强不同，大气中有大气压强，离开地面越高，大气压强就越小。物体下面的压强大于上面的压强，因上下压强差而产生向上的压力，这就是浮力。是不是这样？

老温：你一说我倒想起来了，中学的书上说这样说的。

老华：对于气球这样的宏观物体，作这样的分析是完全正确的。但是，我们可以进一步再问，空气为什么会产生压强呢？

从分子的角度看，空气中的一个个分子都受到地球的引力作用，但是，各个气体分子又有很大的动能，它们向四面八方杂乱无章地运动，会相互碰撞，也会对某一个面作碰撞，压强是把许许多多分子对某一单位面积的碰撞作统计平均的结果。由于是许许多多分子对某一单位面积碰撞的统计平均，压强这个概念的适用对象一定是宏观物体，换句话说，压强是一个用以观察和测量宏观物体的物理量。

在空气中，氮气、氧气等组分都是分散的，分散成一个个独立的分子在空中运动。对于某一个分子的运动，研究的对象是分子。对于一个分子这样的微观物体，一次碰撞就会完全改变了它的运动状态，因而，没有了作许许多多次碰撞的统计平均的基础，在这种情况下，压强、浮力都是没有意义的。空气中的一个个分子，它们都具有各自足够大的动能，在空中都可以朝各个方向运动（没有那么大的动能就凝结了，不成气体了）。在空中它们可以相互碰撞，交换能量。所以，在一个距离地面相当大的空间范围内，地面上空的空气组成基本上是均匀的。并不因为氮气分子略轻而分布在上层，也不因为氩气和二氧化碳分子比氧气更重而积聚在地面附近，使得地面及地下的动物包括我们人类都“淹没”在氩气或二氧化碳之中，因无法呼吸到氧气而死亡。

老温：哦，你说的有道理，也就是说，对于每一个分子而言，压强没有意义，浮力也没有意义。所以，应用浮力来说明气体会分层是错误地应用了理论。

老华：对，正是如此。

老温：对于空气的没有分层，我有一个比方，好比一小块糖放在水里，没有溶解的时候，这块糖是受浮力影响的。由于它的比重比水大，所以沉在水底。可是当糖溶化成分子均匀地分布在水中，那么它在水中就不会都自动沉到水底下，搅匀后的一杯糖水放置一段时间并不会上半杯变得不甜了。你看对不对？

老华：对，这个比方是恰当的。这不仅仅是个比方，实际上水溶液中，溶解在水里的各种分子、离子的均匀分布，也正是这个道理。

当然，如果物质不溶于水，那就是另一种情况了。例如油放在水中，虽然你可以把它搅拌得看上去很均匀，但是，对于分子来说，那一小滴油仍然是太大太大了，它仍然是“宏观物体”，仍然有压强差的作用，从而在浮力的作用下，油滴被浮上水面。这个道理，好像空气中的小的氢气球向上漂浮一样。

而像酒精、蔗糖，在水中溶解了，分散成一个个分子，像食盐，在水中分散成为氯离子和钠离子，它们就在水中均匀分布了。

空气中氧气、氮气、氩气、二氧化碳等气体的混合，就相当于液体中酒精和水的混合。

老温：这样我就明白了。但是，我还有一个问题，那天，小孙子让我看他们的题目，说收集二氧化碳气体，用“排空气集气法”，把产生二氧化碳的玻璃管插到玻璃瓶的底部，管里流出来的二氧化碳就能够沉积在玻璃瓶的底部，而把空气从玻璃瓶口“赶出去”。这不是二氧化碳比重大的原因吗？

老华：这是另一个问题了。在这个问题中，二氧化碳在没有与空气相混合之前，在宏观上就是与空气不同的，就好象灌在气球中的氢气与气球外面的空气不同一样。两个问题的相同之处是它们都存在一个宏观的边界，边界两边有不同的气体，从而可以适用阿基米德的浮力定律。但是它们也有差别，其差别在于气球中的气体与空气是由确定边界的，这个边界就是气球。从管子里流出的二氧化碳与空气也是有边界的，不过这个边界不确定，随时随地在变化罢了。这个不确定边界内的气体也受到由于压强差引起的浮力的影响，由于比重较大，也就是其重力大于浮力，所以二氧化碳下沉。

如果体系是开放的，放置时间长了，没有进一步补充二氧化碳，二氧化碳分子会逐渐扩散到周围的空气中，整个气体又会变得均匀。

这个过程就像把一块糖放在水里，在慢慢溶解的过程中，很可能水的上部并不甜而下部糖块的附近是甜的，这是“体系没有达到平衡”的情况。当糖块全部融化，再加上外界的振动或搅拌等扰动，放置时间长了，体系达到了平衡，一杯糖水就均匀了。

由于气体分子具有的动能比液体分子的动能大得多，气体的扩散速度也大得多。气体就比液体更快地混合。这样的情况在实际生活中也能够遇到。例如，如果氯气泄漏了，由于氯气比空气重得多（相对比重是71，差不多是空气的两倍半），它确实会向低处流，但是，千万不要以为它只是像水那样的流动，它同时还在向高处扩散，很快地进入我们的鼻子和嘴里，对我们身体产生极其危险的伤害。风也会把它们吹向下风处，所以，我们必须迅速向上风处逃离，以免造成非常严重的后果。

老温：哦，这倒确实需要注意，涉及到我们的生命安全。那么，我还有一个问题，为什么糖放在水里会化成糖水，没有见过糖水变成一块糖和一杯水的？

老华：老兄的问题太多了，你这个问题也不是几句话讲得完的，该回家了。以后有机会再聊吧。

老温：好吧，再见！

老华：再见！