敞开盛有浓氨水的试剂瓶瓶口不出现白雾的原因探析

格牛

一、引言
浓盐酸和浓氨水是中学化学常用的两种试剂。打开浓盐酸的试剂瓶时，在瓶口会看到白雾现象。对此一般文献是这样解释的：浓盐酸具有很强挥发性，HCl极易溶于水，挥发出的HCl分子与空气中的水蒸气结合,形成盐酸小液滴，对外表现为白雾。
浓氨水跟浓盐酸一样，也有强挥发性，而且NH3也极易溶于水（甚至溶解度还大于HCl），但是，把盛浓氨水的试剂瓶敞开，在瓶口却看不到白雾。这一怪现象令实验者始料不及，难以接受这一事实，因为它远远超出了人们的预想，但实验结果就是如此。特别是很多学生都遇到了上述问题！
二、目前的解释
针对上述现象的解释，很多人持以下观点：
气体分子因不停地热运动而产生扩散。其扩散速率受许多因素的影响，如温度、压强、空气流动等，但主要由其相对分子质量大小决定。即气体分子相对分子质量越大，分子扩散越慢；相对分子质量越小，分子扩散越快。由于氨气的相对分子质量比氯化氢小，则氨气的扩散速率比氯化氢快得多，因此浓氨水挥发出来的氨气会快速向四周扩散，在其扩散得同时虽然也能与空气中水蒸气结合形成氨水小液滴，但因不能集中，所以不可能形成雾。初看起来，似乎这样解释也颇为合理。
对此，笔者认为不妥：把盛有浓氢氟酸的试剂瓶敞开，在瓶口能看到白雾。
理论上，分子运动的平均速度 ，其中R为普适气体恒量，T为热力学温度，M为气体分子相对分子质量。而氟化氢的相对分子质量（20）和NH3的（17）很接近，事实上，常温（25℃）时，  = 371.644m/s， = 437.228m/s，由此，两者的分子扩散速度也应该差不多，那为什么氟化氢气体能产生白雾，而独NH3不能呢？
三、酸雾形成的原因
众所周知，雾是由悬浮在空气中的小水滴或冰晶组成的水汽凝结物。为了揭开酸雾形成的原因，笔者进行了一个相关实验。
实验Ⅰ，装置如图所示：

现象为：盛放浓H2SO4试管没产生白雾现象，而盛水的试管产生了白雾现象。这说明：在较干燥的环境下，HCl不能形成白雾（盐酸小液滴），环境也要有水蒸气。
通过实验Ⅰ我们可以得出盐酸(氢氟酸)酸雾形成的过程：当空气中水蒸气的浓度足够大时，挥发出来的HCl（HF）结合了周围空气中的水蒸气凝聚成小液滴。当小液滴凝聚到足够大、足够密集，达到了肉眼可见的程度时，便形成了白雾。
四、现象的解释
那么，NH3到底能否结合水蒸气凝聚成小液滴呢？对此，笔者也进行了一个相关实验。
实验Ⅱ，装置如图所示：
  

现象为：广口瓶1内产生了白雾现象，而作为对照组的广口瓶2和广口瓶3内没有产生白雾现象。这说明NH3在水蒸气充分多的环境下是能产生白雾的。
那么，通常情况下（水蒸气的浓度相同），为什么HF、HCl等能结合周围空气中的水蒸气形成小液滴，而NH3为什么就不行呢？
对此笔者认为：小液滴的形成是和分子间的作用力有关的。
显然，要出现白雾，必需要充分多个水分子（水蒸气）结合在一起，而在我们讨论的范围内，这动力主要来自HCl等分子对它们的吸引力。而对于NH3，这种吸引力不够，除非环境中水分子是如此之多，以至于NH3无需再从较远的空气中“吸引”水分子（如实验Ⅱ的广口瓶1中）。
关于HF、HCl等和水分子间的作用力较大，而NH3和水分子间的作用力较小，还可以从以下事实得到佐证：
HF、HCl可以和水形成最高恒沸混合物，这是因为HCl—H2O间的引力大于HCl—HCl以及H2O—H2O间的引力，HCl分子的掺入会增加HCl或H2O分子受到的引力，HCl和H2O都变得较难逸出，所以HCl或H2O分子的蒸汽压相对于（根据理想液态混合物的Raoult定律）计算出来的蒸汽压值都产生了负偏差，从而形成最高恒沸混合物。
另一方面，氨气和水不能形成恒沸混合物（实际上，通过加热可将NH3完全赶出），也就是说NH3—H2O间的引力小于H2O—H2O间的引力（而NH3—NH3间的引力亦小于H2O—H2O间的引力）。当然，在液相中，由于分子间距很小，这时NH3和水分子间可以形成氢键，大大增加了它在水中的溶解度。
综上所述，一种气体分子要能和水蒸气形成白雾，要满足：①环境存在足够的水蒸气；②环境存在（挥发出）足够多该分子；③该分子与水分子间的作用力强。
例如，用水吸收三氧化硫气体，会产生产生大量酸雾（而改用浓H2SO4吸收，则不会产生产生酸雾）；以及浓硝酸、发烟硫酸、浓甲酸会在潮湿空气中冒白雾等等都可以得到相应的解释。