一、溶液的基本概念

1.溶液的定義

溶液是指一種或一種以上的物質(zhì)分散到另一種物質(zhì)里，形成的均一的、穩(wěn)定的混合物。由溶液的定義可知，溶液由兩種或兩種以上的物質(zhì)組成，在物質(zhì)分類上屬于混合物。溶液的特征是均一性和穩(wěn)定性。所謂均一性是指溶液中各部分的組成和性質(zhì)完全相同。所謂穩(wěn)定性，是指如果溫度不改變，溶劑不蒸發(fā)，溶質(zhì)和溶劑不會(huì)自行分離。

溶液是一類比較特殊的混合物。其他一些混合物一般沒(méi)有固定的組成，而溶液的組成在一定條件下是固定的。

2.溶液的組成

溶液由溶質(zhì)和溶劑兩部分組成。溶質(zhì)是被溶解的物質(zhì)，可以是固體，也可以是氣體或液體。但是只有已經(jīng)溶解的那部分物質(zhì)才是溶質(zhì)，如果有仍未溶解的物質(zhì)，那么未溶解的那部分物質(zhì)不是溶質(zhì)。溶劑是能夠溶解其他物質(zhì)的物質(zhì)，溶劑一般是液體，最常見(jiàn)的溶劑是水。

如果是固體或氣體溶解在液體中，那么固體或氣體是溶質(zhì)，液體是溶劑。如果是兩種液體互溶，一般水作為溶劑，若沒(méi)有水，則量多的液體為溶劑，量少的液體為溶質(zhì)。溶液質(zhì)量=溶質(zhì)質(zhì)量+溶劑質(zhì)量，但是由于微粒之間有空隙，在溶解過(guò)程中，溶質(zhì)的微粒和溶劑的微粒會(huì)填補(bǔ)一部分空隙，因此溶液體積≠溶質(zhì)體積+溶劑體積。

3.溶液的分類

溶液有兩種分類方法，一種是根據(jù)溶液的濃度，可以把溶液分為濃溶液和稀溶液；另一種是根據(jù)在一定條件下能否繼續(xù)溶解某種溶質(zhì)把溶液分為飽和溶液和不飽和溶液。濃溶液和稀溶液只是相對(duì)而言，沒(méi)有具體的標(biāo)準(zhǔn)。

飽和溶液和不飽和溶液：在一定溫度下，一定量的溶劑中，不能繼續(xù)溶解某種溶質(zhì)的溶液叫做這種溶質(zhì)的飽和溶液；還能繼續(xù)溶解某種溶質(zhì)的溶液叫做這種溶質(zhì)的不飽和溶液。溶液是否飽和必須強(qiáng)調(diào)“在一定溫度下”和“在一定量溶劑中”。因?yàn)闇囟群腿軇┝康母淖儠?huì)使飽和溶液變?yōu)椴伙柡腿芤?，也可以使不飽和溶液變?yōu)轱柡腿芤?。飽和與不飽和是溶液在一定條件的狀態(tài)，如果條件改變，狀態(tài)也會(huì)改變。此外溶液是否飽和，還要指明是某溶質(zhì)的。因?yàn)橐环N溶質(zhì)的飽和溶液，可能是另一種溶質(zhì)的不飽和溶液，也就是說(shuō)溶液中溶質(zhì)不一定只有一種，如汽水是CO?氣體的飽和溶液，是糖的不飽和溶液，不能在一定條件下再溶CO?，但還可再溶解糖。

濃溶液與稀溶液，飽和溶液與不飽和溶液是兩種不同的分類方法。二者之間沒(méi)有必然的聯(lián)系。對(duì)于不同的溶質(zhì)，或是同種溶質(zhì)但溫度不同，飽和溶液不一定是濃溶液，不飽和溶液不一定是稀溶液。對(duì)于同種溶質(zhì)，同一溫度下，飽和溶液比不飽和溶液濃。

4.溶解度

在一定條件（溫度、壓力）下，一定量的溶劑溶解溶質(zhì)達(dá)飽和時(shí)，所含溶質(zhì)的量稱為溶解度。任何一種表示濃度的單位都可用來(lái)作為溶解度的單位。因此，根據(jù)工作需要，溶解度可以有各種不同的表示法，通常用一定溫度下，100g溶劑形成飽和溶液時(shí)所溶解溶質(zhì)的質(zhì)量（單位為g）表示。物質(zhì)溶解度的大小與很多因素有關(guān)，主要決定于溶質(zhì)和溶劑的本性以及外界的溫度和壓力。

大多數(shù)固體物質(zhì)的溶解度隨溫度升高而增大，只有個(gè)別物質(zhì)的溶解度隨溫度的升高反而減小。利用在不同溫度下物質(zhì)的溶解度不同這一性質(zhì)，可以進(jìn)行物質(zhì)的提純以除去其中雜質(zhì)。在實(shí)際工作中，常將要提純的物質(zhì)先加熱溶解于適當(dāng)?shù)娜軇┲校蛊涑蔀轱柡突蚪咏柡腿芤?，趁熱濾去不溶性雜質(zhì)，然后將溶液冷卻，這時(shí)因物質(zhì)的溶解度減小，勢(shì)必從溶液中析出結(jié)晶，而可溶性雜質(zhì)由于含量少，遠(yuǎn)未達(dá)到飽和而留在母液中。最后過(guò)濾，使析出的結(jié)晶與母液分離而得到較純物質(zhì)。這種操作稱為重結(jié)晶。

二、相似相溶原理概述

1.非極性鍵和極性鍵

在單質(zhì)分子中，同種原子形成共價(jià)鍵，兩個(gè)原子吸引電子的能力相同，共用電子對(duì)不偏向任何一個(gè)原子，電荷在兩個(gè)原子核附近對(duì)稱地分布，因此成鍵的原子都不顯電性。這樣的共價(jià)鍵叫做非極性共價(jià)鍵，簡(jiǎn)稱非極性鍵。例如，H—H鍵、C1—C1鍵都是非極性鍵。

在化合物分子中，不同種原子形成的共價(jià)鍵，由于不同原子吸引電子的能力不同，共用電子對(duì)必然偏向吸引電子能力強(qiáng)的原子一方，因而吸引電子能力較強(qiáng)的原子一方相對(duì)地顯負(fù)電性，吸引電子能力較弱的原子一方相對(duì)地顯正電性。也就是說(shuō)，在這樣的分子中共用電子對(duì)的電荷是非對(duì)稱分布的。人們把這樣的共價(jià)鍵叫做極性共價(jià)鍵，簡(jiǎn)稱極性鍵。例如，在HC1分子里，C1原子吸引電子的能力比H原子強(qiáng)，共用電子對(duì)的電荷偏向C1原子一端，使C1原子一端相對(duì)地顯負(fù)電性，H原子一端相對(duì)地顯正電性，因此，H原子與C1原子之間的共價(jià)鍵是極性鍵。HC1分子可以用如下的電子式表示：

表格P9

2.非極性分子和極性分子

我們?cè)谘芯苛随I的極性之后，現(xiàn)在來(lái)研究分子的極性。

如果分子中的鍵都是非極性的，共用電子對(duì)不偏向任何一個(gè)原子，整個(gè)分子的電荷分布是對(duì)稱的，這樣的分子叫做非極性分子。以非極性鍵結(jié)合成的雙原子分子都是非極?性另子，如非金屬單質(zhì)的雙原子分子H?、O?、CI?、N?等。

以極性鍵結(jié)合的雙原子分子如HC1分子里，共用電子對(duì)偏向C1原子，因此C1原子一端相對(duì)地顯負(fù)電性，H原子一端相對(duì)地顯正電性，整個(gè)分子的電荷分布是不對(duì)稱的，這樣的分子叫做極性分子。以極性鍵結(jié)合成的雙原子分子都是極性分子。

以極性鍵結(jié)合成的多原子分子，可能是極性分子，也可能是非極性分子，這決定于分子中各鍵的空間排列。

例如，CO?是直線型分子，兩個(gè)O原子對(duì)稱地位于C原子的兩側(cè)。

O=C=O

在CO?分子中，因?yàn)镺原子吸引電子的能力比C原子強(qiáng)，共用電子對(duì)偏向于O原子，使得O原子一端相對(duì)地顯負(fù)電性，因此C=O鍵是極性鍵。但從C0?分子總體來(lái)看，兩個(gè)C=O鍵是對(duì)稱排列的，兩鍵的極性互相抵消，整個(gè)分子沒(méi)有極性。所以，CO?是非極性分子。

圖2-2CO?分子示意圖

H?O分子的情況不同，它的兩個(gè)O—H鍵之間有一個(gè)夾角，約為104.5°（如圖2-3）。

O—H鍵是極性鍵，O原子吸引電子的能力強(qiáng)于H原子，共用電子對(duì)偏向于O原子，使得O原子一端相對(duì)地顯負(fù)電性，H原子一端相對(duì)地顯正電性。由于O原子在分子的一端，整個(gè)分子電荷分布不對(duì)稱，因此，H?O分子是極性分子。

3.分子間相互作用力

分子間的相互作用力包括分子間力和氫鍵。

（1）分子間力

共價(jià)分子相互接近時(shí)可以產(chǎn)生性質(zhì)不同的結(jié)合力。當(dāng)非極性分子相互靠近時(shí)，由于電子的不斷運(yùn)動(dòng)和原子核的不斷振動(dòng)，要使每一瞬間正、負(fù)電荷中心都重合是不可能的，在某一瞬間總會(huì)有偶極存在，這種偶極叫做瞬間偶極。瞬間偶極之間總是處于異極相吸的狀態(tài)。由瞬間偶極產(chǎn)生的分子間力叫做色散力。

當(dāng)極性分子相互靠近時(shí)，色散力也起著作用。此外，它們還存在著固有偶極。由于固有偶極的相互作用，極性分子在空間就按異極相吸的狀態(tài)取向［見(jiàn)圖2-4（b）］。由固有偶極之間的取向而產(chǎn)生的分子間力叫做取向力。由于取向力的存在，使極性分子更加靠近［見(jiàn)圖2-4（c）］，同時(shí)在相鄰分子的固有偶極作用下，使每個(gè)分子的正、負(fù)電荷中心更加分開(kāi)，產(chǎn)生了誘導(dǎo)偶極［見(jiàn)圖2-4（d）］。誘導(dǎo)偶極與固有偶極之間產(chǎn)生的分子間力叫做誘導(dǎo)力。因此，在極性分子之間還存在著誘導(dǎo)力。誘導(dǎo)力還存在于非極性分子與極性分子之間。

圖2-4極性分子相互作用的示意圖

總之，在非極性分子與非極性分子之間只存在著色散力；在極性分子之間存在著色散力、誘導(dǎo)力和取向力。取向力、誘導(dǎo)力和色散力的總和通常叫做分子間力，又稱為范德華（VanderWaals）力。其中色散力在各種分子之間都有，而且一般也是最主要的；只有當(dāng)分子的極性很大（如魚H?O分子之間）時(shí)才以取向力為主；而誘導(dǎo)力一般較小。

分子間作用能很?。ㄒ话銥?.2?50kJ-mol^-1），與共價(jià)鍵的鍵能（一般為100?450kJ-mol^-1）相比可以差1?2個(gè)數(shù)量級(jí)。分子間力沒(méi)有方向性和飽和性。分子間力的作用范圍很小，它隨分子之間距離的增大而迅速減弱。所以氣體在壓力較低的情況下，因分子間距離較大，可以忽略分子間力的影響。

（2）氫鍵

除上述三種分子間力之外，在某些化含物的分子之間或分子內(nèi)還存在著與分子間力大小接近的另一種作用力——?dú)滏I。氫鍵是指氫原子與電負(fù)性較大的X原子（如F、O、N原子）以極性共價(jià)鍵相結(jié)合時(shí)，還能吸引另一個(gè)電負(fù)性較大，而半徑又較小的Y原子（X原子也可與Y原子相同，也可不同）的孤對(duì)電子所形成的分子間或分子內(nèi)的鍵?？珊?jiǎn)單示意如下：

X—H……Y

能形成氫鍵的物質(zhì)相當(dāng)廣泛，例如，HF、H?O、NH?、無(wú)機(jī)含氧酸和有機(jī)竣酸、醇、胺、蛋白質(zhì)以及某些合成高分子化合物等物質(zhì)的分子（或分子鏈）之間都存在著氫鍵。因?yàn)檫@些物質(zhì)的分子中，含有F—H鍵、O—H鍵或N—H鍵。而醛、酮，例如，乙醛和丙酮等有機(jī)物的分子中雖有氫、氧原子存在，但與氫原子直接連接的是電負(fù)性較小的碳原子，所以通常這些同種化合物的分子之間不能形成氫鍵。

氫鍵具有飽和性和方向性。例如，固體HF中氫鍵結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)單表達(dá)如下：

圖片P11

氫鍵的鍵能比化學(xué)鍵要弱得多，與分子間力有相同的數(shù)量級(jí)。但分子間存在氫鍵時(shí)，大大加強(qiáng)了分子間的相互作用。氫鍵在生物化學(xué)中也有著重要意義。例如，人體內(nèi)的蛋白質(zhì)分子中存在著大量的氫鍵，有利于蛋白質(zhì)分子的穩(wěn)定存在。

4.分子間相互作用力對(duì)物質(zhì)溶解性的影響

影響物質(zhì)在溶劑中溶解程度的因素較復(fù)雜。一般說(shuō)來(lái)，“相似者相溶”是一個(gè)簡(jiǎn)單而較有用的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。即極性溶質(zhì)易溶于極性溶劑；非極性（或弱極性）溶質(zhì)易溶于非極性（或弱極性）溶劑。溶質(zhì)與溶劑的極性越相近，越易互溶。例如，碘易溶于苯或四氯化碳，而難溶于水。這主要是碘、苯和四氯化碳等都為非極性分子，分子間存在著相似的作用力（都為色散力），而水為極性分子，分子之間除存在范德華力外還有氫鍵，因此碘難溶于水。

通常清洗用的溶劑一般有水和有機(jī)物兩類。水是極性較強(qiáng)的溶劑，它既能溶解多數(shù)強(qiáng)電解質(zhì)如HCl、NaOH、K?SO?等，又能與某些極性有機(jī)物如丙酮、乙瞇、乙酸等相溶。這主要是由于這些強(qiáng)電解質(zhì)（離子型化合物或極性分子化合物）與極性分子H?O能相互作用而形成正、負(fù)水合離子：而乙醯和乙酸等分子不僅有極性，且其氧原子藉孤對(duì)電子能與水分子中的H原子形成氫鍵，因此它們也能溶于水。但強(qiáng)電解質(zhì)卻難為非極性分子的有機(jī)溶劑所溶解，或者說(shuō)非極性溶劑分子難以克服這些電解質(zhì)本身微粒間的作用力，而使它們分散或溶解。

有機(jī)溶劑主要有兩類：一類是非極性和弱極性溶劑，如苯、甲苯、汽油以及四氯化碳、三氯甲烷、三氯乙烯、四氯乙烯和某些其他鹵代桂等。它們一般難溶或微溶于水，但都能溶解非極性或弱極性的有機(jī)物，如機(jī)油、潤(rùn)滑油。因此，在機(jī)械和電子工業(yè)中常用來(lái)清洗金屬部件表面的潤(rùn)滑油等礦物性油污；另一類是極性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑，如乙醇、丙酮以及低分子量的按酸等。這類溶劑的分子中，既包含有羥基（-OH）、按基、竣基這類極性較強(qiáng)的基團(tuán)，并且還含有烷基類基團(tuán)，前者能與極性溶劑如水相溶，而后者則能溶解于弱極性或非極性的有機(jī)物，如汽油、鹵代疑等。根據(jù)這一特點(diǎn)，在金屬部件清洗過(guò)程中，往往先以甲苯、汽油或鹵代桂等去除零件表面的油污（主要是礦物油），然后再以這類極性溶劑（如丙酮）洗去殘留在部件表面的非極性或弱極性溶劑，最后以水洗凈。為使其盡快干燥，可將經(jīng)水洗后的部件用少量乙醇擦洗表面，以加速水分揮發(fā)。這一清洗過(guò)程主要依賴于分子間相互作用力的相似，即“相似者相溶”的規(guī)律。

金屬在切削等機(jī)械加工過(guò)程中，除會(huì)沾有礦物性油脂（潤(rùn)滑油等）外，往往還殘留有動(dòng)物性油脂（如高級(jí)脂肪酸的甘油酯），對(duì)于這類油脂一般也可用堿液去除。

順便指出，如肥皂這類物質(zhì)，在分子中，一端含有極性較強(qiáng)的竣基，另一端則是碳鏈較長(zhǎng)的烷基（如含17個(gè)碳原子的烷基），前者與水分子有較強(qiáng)的作用力，所以易溶于水。而后者與油類分子有較強(qiáng)的作用力，因此，肥皂在水中可以達(dá)到去除織物上的油污的目的。包括肥皂在內(nèi)的這類物質(zhì)屬于表面活性劑，在工業(yè)生產(chǎn)和科研中用途甚廣。