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你有沒有發現,擰開一瓶冰鎮可樂的瞬間,“嘶——”的一聲,細密氣泡瘋狂翻涌?那一刻,看似只是解渴前的儀式感,卻藏著一個可能關乎生命安全的科學原理。潛水員為何不能“說走就走”迅速上浮?航天員為什么不能直接暴露在太空?答案,竟和那瓶可樂如出一轍。一次簡單的開瓶動作,背后卻是高壓、溶解度與氣泡“反擊”的物理化學博弈。今天,我們就從一瓶可樂出發,看清減壓病的真面目。
1
高壓下的溶解度“魔術”
減壓病是指人體從高氣壓環境快速進入常壓或低壓環境,致使原本溶解在體內的氣體超過過飽和界限,在血管及組織中析出形成氣泡,引發栓塞的全身性疾病。
將身體想象成可樂等碳酸飲料更容易理解——沒打開的可樂瓶里沒有氣泡,但在打開可樂后,瓶中會產生氣泡。
這里要介紹一個物理學、化學的基本定律——亨利定律。1803年,英國著名學者威廉·亨利研究氣體在液體中的溶解度規律時發現,“在一定溫度的密封容器內,氣體的分壓與該氣體溶在溶液內的摩爾濃度成正比”,即在溫度一定時,氣體在溶液中的溶解度與其分壓(假設從混合氣體系統中排除某種氣體以外的所有其他氣體,而保持系統體積和溫度不變,此時氣體所具有的壓強,稱為混合氣體中這一種氣體的分壓)成正比。
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常溫常壓下,二氧化碳可溶于水,但溶解度不大。二氧化碳可與水發生化學反應,生成碳酸:
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這個反應是可逆的,即正逆反應同時進行,達到動態平衡。
根據亨利定律,高壓狀態下,二氧化碳會更多地溶解在可樂中。因此,在生產可樂等碳酸飲料的過程中,工廠會利用高壓裝置將二氧化碳加入飲料中。瓶蓋打開后,瓶內二氧化碳分壓迅速降低,二氧化碳的溶解度隨之降低。此時,瓶內的碳酸處于過飽和狀態(某溶質的量超過同溫度下該溶質的溶解度),會分解產生二氧化碳。
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2
危險的氣泡
減壓病與開可樂的過程類似。
增加的壓力(水壓)與大氣壓的總和,稱為“總壓”。水下搜救時,下潛深度越深,人體承受的總壓越大。在水下10米的深度,一個充滿氣的籃球會被壓癟,人體則可以通過口、鼻等與外界(呼吸管)相通的器官,增加體腔內的氣體量及內壓,調整內壓與外壓的平衡而適應外界壓力,不至于讓增大的外壓把身體壓癟。
根據前文所講的亨利定律,水下高壓會增加潛水人體腔內空氣的壓力及其在血液中的溶解量。這些增量溶解的空氣,經血液循環被送至人體各組織器官,使人體各組織器官的內壓逐漸上升,與已增壓的體腔一起平衡外壓,使各組織器官(特別是循環系統和呼吸系統)的生理機能仍能正常運行。
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高壓狀態下增溶的大部分氧氣和二氧化碳會被血紅蛋白(紅細胞中的色素蛋白,即血紅蛋白,是人體進行氧氣和二氧化碳代謝交換的主要載體)及血漿內的其他成分吸收,少量以物理狀態游離于體液中;大部分氮氣則集中溶入脂肪和神經組織中。
如果人快速浮出水面,導致體外、體內壓力急劇降低,原本溶于血液、組織液和脂肪組織中的氧和二氧化碳可轉移溶于體液內,或通過肺組織的氣體交換功能析入肺泡腔并被呼出體外。但是,氮氣(常溫、常壓下,氮氣難溶于水)在體液內溶解遲緩,來不及擴散的氮氣便會析出氣泡,聚積于組織和血液中,阻塞血流,在血管和心室內形成氣體栓塞,導致減壓病。
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一瓶可樂,在高壓下“悄悄”溶入二氧化碳;瓶蓋一開,壓強驟降,氣體掙脫束縛,化作翻騰氣泡。人體亦如此——高壓環境中溶解于血液和組織的氣體,一旦驟然減壓,便可能在體內“爆發”,形成危險氣泡,阻斷血流,威脅生命。亨利定律不只存在于課本里,它在深海、在太空,也在我們每一次呼吸之間。
下次再聽見可樂開瓶的那聲輕響,你會不會想到深海中的潛水員?如果讓你為航天員設計一套“防氣泡方案”,你會怎么做?歡迎在評論區說說你的答案,也別忘了點贊分享,讓更多人讀懂這瓶“會說話”的可樂。
責任編輯|趙青云 李雅欣
運營編輯|李雅欣 李佳桐(實習)
質量審核 | 王維嘉 趙青云
圖文來源 |《知識就是力量》雜志,原文《開可樂與減壓病》,撰文 /侯安山(中國法醫學會科普部),原文有刪改,原創作品轉載請注明來源。
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