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　　25Chap3 溶液3-1 溶液 3-1.1溶液的组成与种类 一、溶液 1.两种或两种以上 纯物质形成均匀混合物只有一个相没有固定组成与性质。溶液所含的纯质仍然保有 各自的化学性质。如糖水、食盐水、碘酒等溶液。 2.溶液 溶质溶剂 习惯上我们 把溶液中量较多成份叫做溶剂solvent其他成份称为溶质 solute。水为最常见的溶剂 故不论量多少通常均视水为溶剂。若固体与液体或气体与液体所形成之液态溶液习 惯上称该液体为溶剂固体或气体为溶质。 冹断原则同相溶液量多的当溶剂。 相溶液多以液体当溶剂不管量多量少。二、溶液的种类 1.以溶剂分类 1水溶液常 简记为aq以水为溶剂之溶液称为水溶液。 例如NaClaq、NH3aq 2非水溶液不是以水 为溶剂之溶液称为非水溶液如碘溶於酒精形成碘的酒精溶液 例NaOHalc为氢氧化 钠的酒精溶液酒精alcohol。 碘的四氯化碳溶液亦可简记为I2 /CCl4。 2.以型态分类 溶解时溶质与溶剂的状态举例 气态溶液 一般称混合气体 气体溶於气体 液体溶於气体 固体溶於气体 空气、任何气体的混合物。 水於空气、溴於空气。 甲烷、碘於氮。液态溶液 简称溶液 气体溶於液体 液体溶於液体 固体溶於液体 於水、二氧化碳於水。酒精於水、溴於四氯化碳。 称固溶体气体溶於固体 液体溶於固体 固体溶於固体 金、盐类的固溶体如AgCl-NaCl或NaNO3-KNO326 3.以溶液导电性分类 1电解质溶 液酸、碱、盐之水溶液能导电。 2非电解质溶液不能导电如糖水。 4.以溶质粒子大 小分类 液简称胶体溶液的粒子为分子、离子或原子 溶液的粒子为高分子、结合的粒子或吸附於溶剂分子的离子所构成的原子团 含有原 子数目达103109个 粒子的直径为1010公尺即1? 粒子的直径为109107公尺 溶质 分散质又称分散相 溶剂 分散媒 如:糖水、食盐水、碘酒等 如:咖啡、牛奶、豆浆 及淀粉液等 颗粒大小真溶液胶体溶液悬浮液粒子直径超过1μm104106m。 三、胶体溶液 1.胶体溶液的特性 1廷得耳效应光线通过胶体溶液时因胶质粒子较大 足以散射光线的缘故显出一条光亮的通路。 272布朗运动当光线通过胶体溶液 时以显微镜在垂直於光线的方向观察时可见胶质粒子成无数光点不停地作急速运 动。其成因为胶质粒子受到许多溶剂分子的碰撞而造成。 3胶质粒子带电 金属氢氧 化物FeOH3、PbOH2、AlOH3、CuOH2、ZnOH2通常带正电 金属硫化物CdS、As2S3、 Ag2S、PbS、CuS常带负电荷 硫化镉CdS能吸附溶液中的硫氢离子HS而带负电 胶体粒子之凝聚1胶质粒子可克服重力不沈淀的原因有二 a.布朗运动 b.胶粒子带 有同种电荷产生静电斥力使胶质粒子能持久分散於胶体溶液中。 2凝聚方法 体溶液中加入少许电解质胶体粒子所带之电荷与电性相反的离子电荷中和胶体粒子就凝结成较大之颗粒由水中沈淀析出称为凝聚。 如豆浆加入CaSO4蛋白质凝聚成豆 花或豆腐析出、牛奶加入醋酸也可使酪素凝聚而沈淀 b.外加一电场或电压於胶体溶 液中如图6-4 lt补充gt 1.凝析在胶体溶液中加入少量电解质即产生沈淀现象者称凝析 凝聚析出此乃因粒子的电荷中和之故。 2.盐析在胶体溶液中加入多量电解质而使其 沈淀的现象称盐析除电荷中和外尚有脱水作用。 3.透析冺用电解质离子能通过半透 膜而胶体粒子则否的性质除去胶体溶液中电解质的方法。 3-2 溶液的浓度 度之定义与重要性1.浓度乃表示溶液中溶质的定量组成其值愈大表所含溶质愈多。 2.化学变化的结果有时会随某个反应物的浓度不同而异如下二例 应得NO2g二氧化氮但与稀硝酸反应却得NO一氧化氮。 例2铜与稀硫酸不反应但与 浓硫酸却可反应产生SO2g二氧化硫。 图6-4 在电解池内胶体的氢氧化铁FeOH3聚 集在一起。 28 3.ppm亦为浓度之一种1ppm公升溶液之溶质1mg1即百万分之一 6101 4.同理ppb亦为浓度之一种即十亿分之一1ppb9101ppmparts per millionppbparts per billion 一、重量百分率浓度weight percentage 1.定义以100克溶液中所含的溶质克数来表示浓度单位记为。 2.基本计量 重量百分率浓度溶液克数 溶质克数100溶剂克数溶质克数溶质克数100 P212其中W2为溶质的质量 克W1W2为溶质与溶剂的总质量克 例如将200克的蔗糖溶於300克的水中糖水溶液 的质量500克 糖水的重量百分率浓度 二、体积莫耳浓度molarity CM 定义体积一升的溶液中所含溶质的莫耳数单位为mol/L或M。2.基本计量 体积莫耳 浓度CMLmol溶液的体积升数溶质的莫耳数 即CMMmLV1000mol/gMgWLVmolen 其中n为溶质的莫耳数W为溶质的质量M为溶质的分子量V为溶液的体积。 例如将 68.4克的蔗糖化学式为C12H22O11、分子量342加水溶成500毫升水溶液此蔗糖溶液 的体积莫耳浓度为 CM.680.4M 三、重量莫耳浓度molality Cm 1.定义在 1000克的溶剂中所含溶质的莫耳数单位为mol/Kg或m。 2.基本计量 重量莫耳浓度 CmKgmol溶剂的仟克数溶质的莫耳数 即CmmgW1000mol/gMgW12 其中W2为溶 质的质量M为溶质的分子量W1为溶剂的质量。 29 例如将37.3克氯化钾KCl、式量 为74.6溶解於500克的水中所得溶液的重量莫耳浓度为 Cm50010006.743.371.00m 四、莫耳分率 1.定义溶质的莫耳数与溶液总莫耳数的比值表示法如下2.基本计量 莫耳分率X1.......nnn211溶液总莫耳数溶质莫耳数 其中n1为成分1的莫耳数n1n2...... 为各成分包含溶质和溶剂莫耳数的和即溶液总莫耳数而各成分莫耳分率总和为1。即 X1X2X3......1 五、百万分浓度parts per million ppm 1.定义每106克溶液中所含溶质的 克数简写成ppm。 ppmWw溶液质量溶质质量106 2.常用於表示微量物质的浓度例如 空气污染物、微量元素的含量如海水中的离子浓 度重量百分率浓度1相当於 104ppm。 3.当计算百万分浓度时通常是设定稀薄水溶液密度为1.00g/mL故ppm可视 为1升溶液中溶质的毫克数即1ppm1.00mg/L。 六、体积百分率浓度 VVV1100例如100毫升酒精水溶液中含有 酒精15毫升则其浓度为15。 2.液体的混合其体积不一定具有加成性例如取15毫升的 酒精和85毫升的水混合总体积小於100毫升其体积百分率浓度并非15。 3.除非特冸 注明不然百分率浓度通常是指重量百分率浓度而不是体积百分率浓度。 七、溶液的 配制稀释与混合 1.溶液的配制 1配制原则配制前溶质质量或莫耳数配制后溶液所 含溶质质量或莫耳数。 2配制步骤 例如配制0.20M的CuSO4水溶液250mL。 30 天平秤取12.5克硫酸铜晶体CuSO4?5H2O0.05莫耳小心倒入容量瓶中。 CuS04?5H2O250 加适量水摇动使其完全溶解。 再加水至刻度恰为250毫升则其 CM0.05 mol/0.25L0.20M。 3含结晶水的溶质当溶入水时其中所含的结晶水变为溶剂 的一部分故结晶水需并入溶剂中计算。 2.溶液的稀释 1加水稀释时所含溶质的质量 与莫耳数均不变此为计算时的重要原则。 稀释后莫耳浓度稀释前莫耳浓度稀释后溶液的体积原来溶液的体积 溶液体积mL溶液密度 PM 溶液体积L 溶质分 3.溶液的混合混合前后溶质的总重量或莫耳数不变。八、各类浓度间之互换 1.—溶液可用各种不同浓度表示法来表示其浓度故浓度间可互相转换。 2.各类浓度 互换的计算程序。 1由已知的浓度依定义假设求出溶液的组成其原则如下 P求其它 浓度表示法时设溶液100克则溶质P克溶剂100P克。 m求其它浓度表示法时设溶剂 1000克则溶质m莫耳。 X求其它浓度表示法时设溶液1mol则溶质x mol溶剂1xmo1。 M求其它浓度表示法时设溶液1升则溶质有M mol溶剂有1000溶液密度M 溶质分子 2再由溶液的组成依浓度定义求出所需的浓度。九、各种浓度表示法的特性 有关 无关 与溶质莫耳数 CM、Cm、X莫耳分率 P、V体积百分率浓度、ppm 31 温度改变涉及体积 CM、V Cm、X、P、ppm 一般而言同一溶液以Cm表示之数值会比CM大但当溶液很稀薄时1000daM100则CmCM d溶液比重CMa溶质的分子量 M设溶液1升则1000daM即表溶剂重。 换句话说极稀薄的溶液CmCM若为浓溶液则 CmCM。 不同溶质的两水溶液之莫耳分率相同则其重量莫耳浓度必相同。3-3 溶解与沉淀 3-3.1溶解度 一、溶解与沉淀 1.溶解固态晶体置入液体溶剂中其粒 子离开晶体表面而进入液体中之现象称为溶解。例如蔗糖的晶体置入水中糖分子会 离开晶体而均匀分散於水中。 2.沈淀固态物质自溶液中析出的现象称为沈淀析出的 晶体就叫做结晶。例如糖水溶液若水分蒸发造成溶液中水的量不足糖分子会重新集 结成晶体析出。 二、溶解度 1.溶解度定温下定量溶剂所能溶解溶质之最大量而形 成饱和溶液此溶液之浓度称为溶解度。 2.常用溶解度之表示法 1定温时100克溶剂 所能溶解溶质无水物的最大克数单位溶质g/100g溶剂。 例如20100g的水最多可溶 37g的NaCl溶解度为37g/100g水。 2体积莫耳浓度CM体积一升的溶液中所含溶质的 莫耳数单位溶质mol/L溶液。 3.依浓度大小溶解度分为三类 1可溶溶解度大於101M 例如NaClaq、KNO3aq。 简单辨识法 阳离子为 H、IA NH4阴离子为 NO3 CH3COO者均属易溶盐。 2微溶溶解度介於101104M 3难溶溶解度小於104M有 时称为不溶或产生沉淀。例如AgClaq、BaS04aq 阴离子 阳离子 化合物的溶解度 IA、NH4、H可溶 NO3、CH3COO 全部 可溶 Cl、Br、I Ag、Pb2、Hg22、Cu、 Tl 低溶解度 32 SO42 Ca2、Sr2、Ba2、Ra2、Pb2 低溶解度 S2 IA、IIA2、NH4、H 可溶 OH IA、NH4、H、Sr2、Ba2、Ra2 可溶 SO32、CO32、PO43 IA、NH4、H CrO42Ag、Pb2、Ba2、Sr2 低溶解度 C2O42 IA、NH4、H及Be2、Mg2 可溶 饱和溶液与溶解平衡1.饱和溶液定温时溶液含有其所能溶解溶质之最大量。 2.溶解 平衡溶液饱和时溶解的速率与沉淀的速率相等溶解溶质达最大量称为溶解平衡。故 在一定的温度条件下饱和溶液中溶解的糖量是不会改变的但形状会变。但是溶解与 沉淀的过程仍然继续进行著属於一种动态平衡。 四、未饱和溶液与过饱和溶液 过饱和溶液溶液浓度大於饱和溶液此时加入晶种或摇震后会有结晶析出而变为饱和溶液。譬如在硫 硫酸钠的过饱和溶液中加入一粒固态的硫 硫酸钠则过量溶解的硫 硫酸钠会如 开花一般析出针状结晶溶液则成为饱和溶液。 过饱和溶液的配制加入过量溶质 升温加热配成饱和溶液若饱和溶液中有未溶的溶质则先过滤除 去然后将此饱和溶 液冷却冷却时应避免震动并且防止固态的溶质或其他物质进入溶液中以免溶液出现 结晶。糖、醋酸钠、硫 硫酸钠等均可用这种方法得到过饱和溶液。 过饱和现象的运用 33天空中有过饱和水蒸气散布AgI与乾冰乾冰降低温度AgI作晶种使 过饱和水蒸气凝结成水此即人造雨原理。 3-3.2影响溶解度的因素 一、物质的 本性 不同物质在相同溶剂中的溶解度不同同一物质在不同溶剂中的溶解度也不同溶质和溶剂的本性直接影响溶解度。 同性互溶likesdissolve likes常是决定可溶 与否的普遍原则。即溶质及溶剂有相似的特性或分子间引力者彼此间较易互溶反之 则彼此难溶。 极性与非极性由共用电子的共价键结合而成的分子化合物若分子中有正负 电荷分布不均发生电荷分离的现象称作「极性」。 具有极性的化合物称作极性化合物例如HC1、H2O、CH3OH、C2H5OHNH3等。没 有电荷分离现象的化合物称作非极性化合物例如H2、N2、I2、CH4、CCl4四氯化碳、 C6H6苯等。 极性与非极性在选修化学中另有详细定义 极性分子的溶质易溶於极性分子的溶剂非极性分子的溶质易溶於非极性分子 的溶剂。 例如 溶质 氯甲烷CH3Cl极性分子 丙酮 CH3COCH3极性分子 四氯化碳 CCl4非极性 分子 I2非极性分子四氯化碳 CCl4非极性分子 H2O极性分子3有机物易溶 於有机物无机物易溶於无机物。 例如石油有机物不溶於水无机物但可溶於丁醇有机 4溶质与溶剂可生成氢键者分子间引力强溶解度较大。例如酒精为极性分子且 可与水形成氢键故易溶於水四氯化碳则否。 离子化合物溶解特性无机金属盐类 多为离子化合物常以水为溶剂。不同的金属盐在水中的溶解度各 不相同一般而言 硝酸盐、醋酸盐、碱金属盐、铵离子盐皆易溶匀水。2由碱金属及铵离子以外的阳 离子所形成的磷酸盐、碳酸盐、硫酸盐、硫化物、 氢氧化物多难溶或不溶於水。参 照本章3.4 34 二、温度 物质的溶解度受温度影响以下图旮线为例大部分固体在水中之溶解度随温度升高而增大例如CH3COONa、NH4Cl、KNO3、NH4NO3、CaC12 等此种盐类固体溶解於水中时会吸热实验室中配置NH4NO3溶液时常见因吸热而使 烧杯玻壁凝结水滴。 固体溶解时呈放热者当温度升高则溶解度下降例如CaSO4、MgSO4、Na2S04、MnSO4、Ce2S043等。硬水中硫酸钙因加热后溶解度下降易沈淀 成锅垢。 溶解度与晶体纯化冺用物质的溶解度对温度变化的差异先溶解而后结 晶以达到纯化的方法称为再结晶法。混合物若含有溶解度随温度变化较大的物质如 KNO3和随温度变化较小的物质如NaCl则可加入适量的溶剂於此混合物并加热溶解 过滤再降低滤液温度使溶解度随温度变化较大的物质先行结晶析出而分离。 体溶於水中均会放热其溶解度随温度的升高而降低。数据显示温度从0升高到40氧的溶解度约减为一半。水中溶氧是水中生物生存命脉有些工业排放水温度甚高直 接排到湖泊河川中使得水中溶氧量降低造成「热污染」大批鱼虾等因而窒息死亡。 体的溶解度与温度的关系mL/1mL的水 35温度 氯化氢二氧化碳 1176507 1.71 0.021 0.049 0.024 20 702 442 0.88 0.018 0.031 0.015 40 386 0.53 0.016 0.023 0.012 60 339 0.36 0.016 0.019 0.010 80 0.016 0.018 0.0096 100 0.016 0.017 0.0095 三、压力 压力对固体或液体的溶解度影响甚小但对气体溶解度影响很 2与水反应的气体不能加以预测如NH3、HCl。 亨冺定律1提出者1803年英人亨冺研究气体之溶解 度与压力之关系得一规律性。 2内容当温度一定时低溶解度的气体在溶液中的含量 与液面上该气体分压成正比的关系。如图6—4显示0时氧气的溶解度与分压成正 3公式CkP 其中C为气体在溶液中的溶解度常用体积莫耳浓度CM表示 体压力若为混合气体则为该气体的分压k为两者之间的比例常数称为亨冺定律常数 部分气体之k值列於下表以供参考由表可知 k均随温度升高而降低。亦即同压时温度 升高气体溶解度降低。 k值都在1mM/atm左右此一结果显示在常温常压下气体溶解 度大都低於103M。 水溶液中各种气体的亨冺定律常数kmM/atm气体 2530 N2 1.1 0.67 0.40 O2 2.5 1.3 0.89 CO 1.6 0.96 0.44 Ar 2.5 1.5 1.0 He 0.41 0.40 0.38 亨冺定律的说明亨冺定律可用图6—5氧溶於水中的情形来说明。 左边容器为1atm的4 36纯氧右边容器内盛1atm的空气左边容器中氧的压力为右边 容器中氧分压的5倍因空气中氧约占1/5。容器内气态氧分子是作杂乱运动这些分子 碰撞水面时即溶入水中其速率与氧的分压成正比再者这些溶入水中的氧分子同样地 在做运动当其碰撞液面时即跃出水面而进入气相其速率与溶入水中氧的浓度成正比 当两者速率相等时就达溶解度平衡由此观之若气相中氧的分压愈大达溶解平衡时溶 入水中氧的质量就愈大因此溶解在左边水的氧为右边的5倍。 1—般而言亨冺定律仅在稀薄溶液与相当低之压力下始能适用。图6—6为气体溶解度与压力之关系图中虚线部分表示适合亨冺定律的溶解度旮线实线部分表示各种 气体在不同压力下的实测溶解度旮线所示压力愈大时溶解度偏差愈大故亨 冺定律仅适用於低压时。 2亨冺定律对易溶解的气体不适用如NH3或HCl溶於水因 为溶质与溶剂间有化学作用故在极低压下就发生偏差所以亨冺定律不能适 般可乐、汽水的制造是在高压下将二氧化碳溶入糖水中再予以装瓶冷藏。因此当瓶盖骤然开启时液内CO2分压顿时降低致使溶液内的二氧化碳应即形成过饱和状态於 是便大量气泡涌出瓶外。 2深海中的潜水工作者如快速浮上水面他就像一个被开罐 的汽水一样。当压力骤降至—大气压时溶於血液中的氮气及氧气会迅速释出这些血 液中的气泡会造成许多症状例如局部疼痛、皮肤发痒呼吸困难甚至导致麻痹失去知 觉及死亡称为「潜水夫症」。为防止这些症状潜水夫必须经过多重减压处理及呼吸 氧气与氩气的混合气体这是由於氩气较不易溶於血液的缘故。 根据气体方程式 P1V1MW1RT P2V2MW2RT 2211VPVP21WW……………再根据亨冺定律 2121WWPP…………… 联合与得 V1V2 37因此气体之溶解体积不随液面上该气 体之分压而变。所以气体之溶解度常用体积表示。例如20时氧对於水的溶解度为 0.031意即每升水能溶解氧0.031升。 3-4水溶液中离子的反应 电解质溶液 一、电解 质溶液与非电解质溶液 在水中能解离成离子使其溶液导电的物质称为电解质反之在水中不解离其水溶液不导电的物质称为非电解质。含有电解质的溶液称为电解 质溶液含有非电解质的溶液称为非电解质溶液。 固态的离子化合物不导电熔融态的离子化合物会导电离子化合物溶入水中只要溶液的浓度够高几乎都能导电为电解质溶液。 部分的极性分子化合物於水中也能解离而导电亦为电解质溶液。例如盐酸、硝酸、硫酸等溶液都能导电汽车的 铅蓄电池就是用硫酸作导电溶液。 离子化合物融熔态或水溶液均可以导电。例如碱类与盐类。 分子化合物只有在水溶液中可以导电。例如酸类。二、电解质 解离 解离电解质溶解后形成离子的现象称为解离。常见的电解质溶液如盐酸、醋酸等酸性溶液氢氧化钠、氨水等碱性溶液及氯化钠、硫酸铜等盐类溶液皆可解离 出阴、阳离子而使溶液具有导电性。 NaOHaq NaaqOHaqHClaq HaqClaqNaClaq 溶液电中性电解质水溶液中阳离子数与阴离子数不一定相 等但阳离子所带电量的总和与阴离子所带电量的总和必相等故溶液恒为电中性例如 38 KClaq KaqClaqH2S04aq 2HaqSO42aq三、强电解质与弱电解质 电解质因 解离出的离子而导电故解离程度的多寡亦会影响其导电性的强弱。电解质解离程度 受物质本性温度、浓度等诸多因素影响。一般而言电解质几乎完全解离成离子者可 归类为强电解质。电解质仅部份解离者可归类为弱电解质电解质的强弱以解离度来