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溶解度

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溶解性溶解度(英語:Solubility)是指定溫、定壓時,每單位飽和溶液中所含溶質的量[1];也就是一種物質能夠被溶解的最大程度或飽和溶液的濃度[2]。通常用體積摩爾濃度質量百分濃度或「每100公克溶劑能溶解的溶質重」表示之[3]。溶解度主要取決於溶質溶劑中的溶解平衡常數(溶度積)溫度極性、和壓強。相同溶質在不同溶劑下的溶解度不盡相同;相同溶劑在不同溶質下的溶解度不盡相同;即便是相同的溶質和溶液,在不同的環境因素下溶解度也不盡相同[2]

當溶質分子進入溶液時,因為分子可以自由移動,有些分子會碰撞到未溶解的晶體表面,並被吸引回到晶體表面析出,此即為結晶或沉澱。在分子不斷溶解和結晶的過程中,當溶解速率和結晶速率相等時,稱為溶解平衡。達到溶解平衡的溶液稱為飽和溶液,此時溶質的濃度定義為溶解度[1]。濃度低於溶解度的溶液稱為未飽和溶液;在某些特殊環境下,會產生濃度大於溶解度的溶液,稱為過飽和溶液[2]

如果一種溶質對溶液的溶解度很高,我們就說這種物質是可溶的;如果溶解度不高,稱這種物質是微溶的;如果溶解度極低,則稱這種物質是不溶難溶的。在中國大陸,將每100mL溶劑溶質的溶解度小於0.01g的物質稱為難溶物質,在0.01~1之間的為微溶,1~10為可溶,10以上為易溶[4]

影響溶解度的因素[編輯]

極性[編輯]

因為共價鍵原子間的電負性差異,使各原子對鍵結電子對的吸引力不盡相同。而當所有的吸引力造成的極矩無法平衡時,我們稱分子具有極性[5]。極性與物質溶解性的關係可以被概括為「相似相溶」:極性溶劑能夠溶解離子化合物以及能離解的共價化合物,而非極性溶劑則只能夠溶解非極性的共價化合物。這是因為極性分子和極性溶劑可以以靜電力結合互溶,而非極性分子和非極性溶劑則以凡德瓦力相互作用力形成紊亂的分子混合物[6]。常見的範例包括:

  • 食鹽,是一種離子化合物,它能在中溶解,卻不能在乙醇中溶解。
  • 油脂,是一種非極性的共價化合物,他不能在中溶解,卻反而在乙醇中溶解[1]
  • 若將不能互溶的水及非極性溶劑放在一起,它們不會形成均一的混合物,反而會分離為兩層,或形成看起來像牛奶一樣的乳濁液

溫度[編輯]

SolubilityVsTemperature.png

根據勒沙特列原理,溶解為吸熱反應時,溶解度隨溫度升高而增加[5],常見的例子包括:

  • 大部分的鹽類

溶解為放熱反應時,溶解度隨溫度升高而降低,例如:

右圖是一張常見固體鹽類的溶解度與溫度的關係圖,可以見到溶解為放熱反應的硫酸鈰斜率為負,溶解為吸熱反應的硝酸鋇斜率為正。實驗上調配飽和溶液時,常常使用此等溶解度-溫度圖來判斷距離飽和點的距離;在關係曲線上方的數據點為過飽和溶液,在關係曲線上的點為飽和溶液,在關係曲線下方的點為未飽和溶液。

關係曲線中途折斷的,表示在相應於轉折點的溫度時,溶液組成發生了變化。例如硫酸鈉的溶解度曲線在305.4K有一個轉折點,表示在305.4K由脫水轉化成[7]

壓強[編輯]

固體和液體[編輯]

對固體和液體而言,理想溶液下,壓力對溶解度的關係可以用數學式表達為:

其中符號表示混合溶劑中的第種溶質,為其摩爾數表示壓力,是其已溶部分的偏摩爾體積,是其未溶部分的偏摩爾體積,理想氣體常數表示一特定溫度[8]。通常,壓力對固體溶質、液體溶質的影響甚小,可以忽略[1]。但是在某些情況下此一性質極為重要,例如在礦業中,硫酸鈣(溶解度隨着壓力降低)或會引起油田和油井沉澱結垢,久而久之可能導致生產率降低[9]

氣體[編輯]

對氣體而言,依據亨利定律,壓強對溶解度的關係可以用數學式表達為:

為一不受溫度影響之系數,是該氣體分壓 為該氣體的體積摩爾濃度[10]。亨利定律常見的應用包括:

  • 汽水瓶打開時,會有氣體逸出,乃是因為瓶蓋打開時,壓強降低造成二氧化碳溶解度降低而釋出。

原子半徑[編輯]

稀有氣體間的吸引力主要為凡德瓦力。由於極化性的增加以及電離能的減少,此力會與原子半徑呈正相關。因此,隨着原子序增加,稀有氣體原子在水中的溶解度也增加。如極難溶於水,但能很好地溶於水中[11]

相關條目[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 吳, 德鵬; 林, 勝立; 徐, 英珠; 張, 明娟; 陳, 秀真; 曾, 玉亨; 楊, 淑芬. 基礎化學. 桃園市. 2016: 1–27. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 溶解度. 教育部教育雲. [2017-07-14]. 
  3. ^ 溶解度-九年級化學教案. 第一範文網 (中文(中國大陸)‎). 
  4. ^ 王, 晶; 鄭, 長龍. 人教版初中《化學》九年級上冊. 北京: 人民教育出版社. 2012: 36. 
  5. ^ 5.0 5.1 Mortimer, Charles E. 吳, 惠平, 編. 大學化學. 台北: 科技圖書. 1995. ISBN 9576552362. 
  6. ^ 林秀蓁; 陳藹然. 電負度(Electronegativity)、溶解度(Solubility)、酸的強度(Acidity). 2012-12-30 [2017-07-14]. 
  7. ^ 南京大學大學化學實驗教學組. 溶解度、溶解度與溫度的關係. chemlabs.nju.edu.cn. [2017-02-04]. 
  8. ^ E.M. Gutman. Mechanochemistry of Solid Surfaces. World Scientific Publishing Co. 1994. 
  9. ^ 陳大鈞. 油田水的防垢和除垢技術. 西南石油大學. 2007 [2017-07-14]. [永久失效連結]
  10. ^ G.W. Greenwood. The Solubility of Gas Bubbles. Journal of Materials Science. 1969, 4 (4): 320–322. Bibcode:1969JMatS...4..320G. doi:10.1007/BF00550401. 
  11. ^ (英文)Dyadin, Yuri A.; 等. Clathrate hydrates of hydrogen and neon. Mendeleev Communications. 1999, 9 (5): 209–210. doi:10.1070/MC1999v009n05ABEH001104.