我们都知道海水是多种盐溶液混合,而从海水结冰形成的冰川为什么不是“冰盐水”而是普通的“冰水”?冰川,这个被称为是地球最大的淡水储存库是怎样做到只“冰水”,不“冰盐”的呢?
这个问题要量化去讨论其实很复杂,涉及到物理化学中很多的知识点,但是如果只是要定性分析就比较简单。
问题思路是把一杯盐水放到冰箱里结冰,结出来的是冰盐水,于是就有了这样一个想法:如果把地球看成杯盐水,那结出来的不应该也是冰盐水么?
这个思路是没问题的,但是为什么会出现冰川多是淡水的情况?
这就涉及到相平衡的问题。
粗略的把海水看成不饱和盐溶液。在降温的过程中,浓度就会变化,可能会析出晶体,也可能不会形成冰和溶液混合物。情况比较复杂。
所以就需要借助相图来分析。
找不到合适的网图,就去翻物理化学教材拍了一张大概意思的相图。虽然溶质有差异,但是不影响分析理解。
物理化学(第五版)——相平衡我找了一下海水盐浓度的数据,普遍在3.5%左右,这里为了方便取5%。
我们可以发现,在横轴取0.05,纵轴取273,虽然有些勉强,但是不难发现这个状态是溶液状态,是不结冰的。
而当温度低于273K时,就会形成冰和溶液,而此时水结成冰会放热,就让体系又回到平衡点。此时的变化是出现了一些水结成了冰,而盐并没有来得及析出。
未结冰的溶液则形成了新的溶液,浓度要高于刚才溶液,而此时则需要建立新的相平衡,如此反复,最后会在附近形成稳定的相平衡,但是也不会比最开始的偏离很多,因为海水的浓度几乎不发生变化。从而最后形成稳定的动态平衡。
而之所以没法像盐水放冰箱一样形成冰盐水,就是因为盐水浓度太大,盐水整体溶液太少,开始时就处于a点右端。
也有可能在结冰过程中可能会在图片中a点左端,也就是和海水一样,只形成冰,不形成“冰盐水”。
但是在随着冰的增加,溶液浓度增加,逐渐就开始右移,此时在结冰过程中,晶体也在析出,也就是我们说的形成“冰盐水”。
而这个时候就会出现一个问题,按这个理论,那么冰盐水应该是不均匀的,最后结冰的多数会是盐。
但是为什么我们冰箱冰的出来的盐水就比较均匀?
实际上晶体在析出过程时,由于扩散作用在具体内部进行的很慢,所以较早析出的晶体就会形成“枝晶”,也就是我们有的时候看冰里像树枝一样的东西,枝条中含有较高熔点的组分,也就是我们说的“盐”。这种现象也叫“枝晶偏析”。
如果偏析发生的比较密集,那么盐和冰混合的比较均匀,从我们直观的角度看就是形成了冰盐水。
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