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溶液和溶解度

你每天都会接触到溶液：你喝的水、你用的清洁剂、你电池里的电解质，都是溶液。溶液是化学中非常重要的概念，理解溶液和溶解度，你就能理解为什么传感器能检测溶液中的物质，为什么电池需要电解质，为什么有些物质容易溶解、有些不容易溶解。

什么是溶液？​

溶液（Solution）是由两种或多种物质组成的均匀混合物，其中一种物质（溶质）溶解在另一种物质（溶剂）中。

溶液的组成​

  • 溶质（Solute）：被溶解的物质，通常量较少
  • 溶剂（Solvent）：溶解溶质的物质，通常量较多
  • 溶液：溶质和溶剂的均匀混合物

通俗理解：溶液就像"糖水"，糖（溶质）溶解在水（溶剂）中，形成糖水（溶液）。

溶液的特点​

  • 均匀性：溶液是均匀的，各部分的组成相同
  • 稳定性：在条件不变时，溶液是稳定的，不会分层
  • 透明性：大多数溶液是透明的（但不一定是无色的）
  • 可分离性：可以通过蒸发、蒸馏等方法分离溶质和溶剂

例子：

  • 糖水：糖（溶质）+ 水（溶剂）= 糖水（溶液）
  • 盐水：盐（NaCl\ce{NaCl}，溶质）+ 水（溶剂）= 盐水（溶液）
  • 酒精溶液：酒精（溶质）+ 水（溶剂）= 酒精溶液（溶液）

溶解过程​

溶解的微观过程​

溶解是溶质分子或离子分散到溶剂中的过程：

  1. 溶质粒子分离：溶质分子或离子从固体或液体中分离出来
  2. 溶剂分子包围：溶剂分子包围溶质粒子
  3. 均匀分散：溶质粒子均匀分散在溶剂中

通俗理解：溶解就像"撒盐"，把盐粒（溶质）撒到水里，盐粒逐渐分散，最后均匀分布在整个水中。

影响溶解的因素​

1. 温度​

大多数固体：温度升高，溶解度增大

  • 例子：糖在热水中比在冷水中溶解得多

气体：温度升高，溶解度减小

  • 例子：汽水在高温下更容易"跑气"

2. 压力​

固体和液体：压力对溶解度影响很小

气体：压力增大，溶解度增大

  • 例子：汽水在高压下溶解更多二氧化碳

3. 溶质和溶剂的性质​

相似相溶原理：极性物质易溶于极性溶剂，非极性物质易溶于非极性溶剂

  • 例子：盐（极性）易溶于水（极性），油（非极性）不溶于水（极性）

溶解度​

溶解度（Solubility）是在一定温度下，某物质在 100 克溶剂中达到饱和状态时所能溶解的最大质量。

饱和溶液和不饱和溶液​

  • 饱和溶液：在一定温度下，不能再溶解更多溶质的溶液
  • 不饱和溶液：还能继续溶解更多溶质的溶液
  • 过饱和溶液：在特殊条件下，溶解的溶质超过正常溶解度的溶液（不稳定）

通俗理解：

  • 不饱和溶液：就像还能装东西的"容器"
  • 饱和溶液：就像装满的"容器"，不能再装了
  • 过饱和溶液：就像"超载"的容器，不稳定，容易"溢出"

溶解度的表示​

溶解度可以用多种方式表示：

  1. 质量溶解度：100 克溶剂中能溶解的溶质质量（克）

    • 例子：20°C 时，NaCl\ce{NaCl} 的溶解度是 36 克/100 克水

  2. 摩尔溶解度：1 升溶液中能溶解的溶质的物质的量（摩尔）

    • 例子：25°C 时，AgCl\ce{AgCl} 的摩尔溶解度约为 1.3×10−51.3 \times 10^{-5} mol/L

  3. 体积溶解度：1 升溶剂中能溶解的溶质体积（升）

    • 主要用于气体

常见物质的溶解度​

物质化学式20°C 时的溶解度（g/100g 水）
氯化钠NaCl\ce{NaCl}36
氯化钾KCl\ce{KCl}34
硝酸钾KNOX3\ce{KNO3}32
硫酸铜CuSOX4\ce{CuSO4}20
碳酸钙CaCOX3\ce{CaCO3}0.0013（难溶）
氯化银AgCl\ce{AgCl}0.0002（难溶）

溶液的浓度​

浓度（Concentration）表示溶液中溶质的含量。浓度有多种表示方法。

1. 质量分数（Mass Fraction）​

质量分数（ww）是溶质质量与溶液质量的比值。

w=m溶质m溶液×100%w = \frac{m_{\text{溶质}}}{m_{\text{溶液}}} \times 100\%

例子：10 克糖溶解在 90 克水中，求质量分数。

w=1010+90×100%=10%w = \frac{10}{10 + 90} \times 100\% = 10\%

2. 物质的量浓度（Molarity）​

物质的量浓度（cc 或 MM）是溶质的物质的量与溶液体积的比值。

c=nVc = \frac{n}{V}

其中：

  • cc：物质的量浓度（单位：mol/L 或 M）
  • nn：溶质的物质的量（单位：mol）
  • VV：溶液的体积（单位：L）

例子：将 0.1 摩尔 NaCl\ce{NaCl} 溶解在 0.5 升水中，求物质的量浓度。

c=0.10.5=0.2 mol/Lc = \frac{0.1}{0.5} = 0.2 \text{ mol/L}

3. 质量摩尔浓度（Molality）​

质量摩尔浓度（bb 或 mm）是溶质的物质的量与溶剂质量的比值。

b=nm溶剂b = \frac{n}{m_{\text{溶剂}}}

其中：

  • bb：质量摩尔浓度（单位：mol/kg）
  • nn：溶质的物质的量（单位：mol）
  • m溶剂m_{\text{溶剂}}：溶剂的质量（单位：kg）

例子：将 0.1 摩尔 NaCl\ce{NaCl} 溶解在 0.5 千克水中，求质量摩尔浓度。

b=0.10.5=0.2 mol/kgb = \frac{0.1}{0.5} = 0.2 \text{ mol/kg}

4. 体积分数（Volume Fraction）​

体积分数（ϕ\phi）是溶质体积与溶液体积的比值。

ϕ=V溶质V溶液×100%\phi = \frac{V_{\text{溶质}}}{V_{\text{溶液}}} \times 100\%

例子：将 10 毫升酒精与 90 毫升水混合，求体积分数。

ϕ=1010+90×100%=10%\phi = \frac{10}{10 + 90} \times 100\% = 10\%

电解质和非电解质​

电解质（Electrolyte）​

电解质是在水溶液中或熔融状态下能够导电的化合物。

特点：

  • 在水溶液中或熔融状态下能够电离，产生自由移动的离子
  • 能够传导电流

例子：

  • 强电解质：NaCl\ce{NaCl}、HCl\ce{HCl}、NaOH\ce{NaOH}（完全电离）
  • 弱电解质：CHX3COOH\ce{CH3COOH}（醋酸，部分电离）

非电解质（Non-electrolyte）​

非电解质是在水溶液中或熔融状态下不能导电的化合物。

特点：

  • 不能电离，不能产生自由移动的离子
  • 不能传导电流

例子：

  • 糖（CX12HX22OX11\ce{C12H22O11}）：不电离，不导电
  • 酒精（CX2HX5OH\ce{C2H5OH}）：不电离，不导电
  • 尿素（CO(NHX2)X2\ce{CO(NH2)2}）：不电离，不导电

电离​

电离是电解质在水溶液中或熔融状态下分解成离子的过程。

例子：

  • 氯化钠：NaCl→NaX++ClX−\ce{NaCl -> Na+ + Cl-}
  • 盐酸：HCl→HX++ClX−\ce{HCl -> H+ + Cl-}
  • 醋酸：CHX3COOH⇌CHX3COOX−+HX+\ce{CH3COOH <=> CH3COO- + H+}（可逆，部分电离）

小结​

溶液和溶解度是化学的重要概念：

  • 溶液：由溶质和溶剂组成的均匀混合物
  • 溶解度：在一定温度下，物质在溶剂中的最大溶解量
  • 浓度：表示溶液中溶质含量的方法（质量分数、物质的量浓度等）
  • 电解质：能够导电的化合物（产生离子）
  • 非电解质：不能导电的化合物（不产生离子）

理解溶液和溶解度不仅有助于学习化学，还能帮助你在实际项目中设计电池、开发传感器、监测环境、制备材料。溶液就像化学的"舞台"，许多重要的化学反应都在这个"舞台"上进行！

💡 思考题：为什么盐（NaCl\ce{NaCl}）能导电，而糖不能导电？答案在于盐是电解质，能够电离产生离子，而糖是非电解质，不能电离！