清洗工作中關于溶液與溶解理論的認知

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

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

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

如果是固體或氣體溶解在液體中，那么固體或氣體是溶質，液體是溶劑。如果是兩種液體互溶，一般水作為溶劑，若沒有水，則量多的液體為溶劑，量少的液體為溶質。溶液質量=溶質質量+溶劑質量，但是由于微粒之間有空隙，在溶解過程中，溶質的微粒和溶劑的微粒會填補一部分空隙，因此溶液體積≠溶質體積+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；另一種是根據在一定條件下能否繼續溶解某種溶質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而言，沒有具體的標準。

飽和溶液和不飽和溶液：在一定溫度下，一定量的溶劑中，不能繼續溶解某種溶質的溶液叫做這種溶質的飽和溶液；還能繼續溶解某種溶質的溶液叫做這種溶質的不飽和溶液。溶液是否飽和必須強調“在一定溫度下”和“在一定量溶劑中”。因為溫度和溶劑量的改變會使飽和溶液變為不飽和溶液，也可以使不飽和溶液變為飽和溶液。飽和與不飽和是溶液在一定條件的狀態，如果條件改變，狀態也會改變。此外溶液是否飽和，還要指明是某溶質的。因為一種溶質的飽和溶液，可能是另一種溶質的不飽和溶液，也就是說溶液中溶質不一定只有一種，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。二者之間沒有必然的聯系。對于不同的溶質，或是同種溶質但溫度不同，飽和溶液不一定是濃溶液，不飽和溶液不一定是稀溶液。對于同種溶質，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達飽和時，所含溶質的量稱為溶解度。任何一種表示濃度的單位都可用來作為溶解度的單位。因此，根據工作需要，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所溶解溶質的質量（單位為g）表示。物質溶解度的大小與很多因素有關，主要決定于溶質和溶劑的本性以及外界的溫度和壓力。

大多數固體物質的溶解度隨溫度升高而增大，只有個別物質的溶解度隨溫度的升高反而減小。利用在不同溫度下物質的溶解度不同這一性質，可以進行物質的提純以除去其中雜質。在實際工作中，常將要提純的物質先加熱溶解于適當的溶劑中，使其成為飽和或接近飽和溶液，趁熱濾去不溶性雜質，然后將溶液冷卻，這時因物質的溶解度減小，勢必從溶液中析出結晶，而可溶性雜質由于含量少，遠未達到飽和而留在母液中。最后過濾，使析出的結晶與母液分離而得到較純物質。這種操作稱為重結晶。

二、相似相溶原理概述

1.非極性鍵和極性鍵

在單質分子中，同種原子形成共價鍵，兩個原子吸引電子的能力相同，共用電子對不偏向任何一個原子，電荷在兩個原子核附近對稱地分布，因此成鍵的原子都不顯電性。這樣的共價鍵叫做非極性共價鍵，簡稱非極性鍵。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鍵，由于不同原子吸引電子的能力不同，共用電子對必然偏向吸引電子能力強的原子一方，因而吸引電子能力較強的原子一方相對地顯負電性，吸引電子能力較弱的原子一方相對地顯正電性。也就是說，在這樣的分子中共用電子對的電荷是非對稱分布的。人們把這樣的共價鍵叫做極性共價鍵，簡稱極性鍵。例如，在HC1分子里，C1原子吸引電子的能力比H原子強，共用電子對的電荷偏向C1原子一端，使C1原子一端相對地顯負電性，H原子一端相對地顯正電性，因此，H原子與C1原子之間的共價鍵是極性鍵。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

我們在研究了鍵的極性之后，現在來研究分子的極性。

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

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

以極性鍵結合成的多原子分子，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O原子對稱地位于C原子的兩側。

O=C=O

在CO?分子中，因為O原子吸引電子的能力比C原子強，共用電子對偏向于O原子，使得O原子一端相對地顯負電性，因此C=O鍵是極性鍵。但從C0?分子總體來看，兩個C=O鍵是對稱排列的，兩鍵的極性互相抵消，整個分子沒有極性。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O—H鍵之間有一個夾角，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于H原子，共用電子對偏向于O原子，使得O原子一端相對地顯負電性，H原子一端相對地顯正電性。由于O原子在分子的一端，整個分子電荷分布不對稱，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

共價分子相互接近時可以產生性質不同的結合力。當非極性分子相互靠近時，由于電子的不斷運動和原子核的不斷振動，要使每一瞬間正、負電荷中心都重合是不可能的，在某一瞬間總會有偶極存在，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。由瞬間偶極產生的分子間力叫做色散力。

當極性分子相互靠近時，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取向［見圖2-4（b）］。由固有偶極之間的取向而產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［見圖2-4（c）］，同時在相鄰分子的固有偶極作用下，使每個分子的正、負電荷中心更加分開，產生了誘導偶極［見圖2-4（d）］。誘導偶極與固有偶極之間產生的分子間力叫做誘導力。因此，在極性分子之間還存在著誘導力。誘導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、誘導力和取向力。取向力、誘導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；只有當分子的極性很大（如魚H?O分子之間）時才以取向力為主；而誘導力一般較小。

分子間作用能很小（一般為0.2?50kJ-mol^-1），與共價鍵的鍵能（一般為100?450kJ-mol^-1）相比可以差1?2個數量級。分子間力沒有方向性和飽和性。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還存在著與分子間力大小接近的另一種作用力——氫鍵。氫鍵是指氫原子與電負性較大的X原子（如F、O、N原子）以極性共價鍵相結合時，還能吸引另一個電負性較大，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）的孤對電子所形成的分子間或分子內的鍵。可簡單示意如下：

X—H……Y

能形成氫鍵的物質相當廣泛，例如，HF、H?O、NH?、無機含氧酸和有機竣酸、醇、胺、蛋白質以及某些合成高分子化合物等物質的分子（或分子鏈）之間都存在著氫鍵。因為這些物質的分子中，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中氫鍵結構可簡單表達如下：

圖片P11

氫鍵的鍵能比化學鍵要弱得多，與分子間力有相同的數量級。但分子間存在氫鍵時，大大加強了分子間的相互作用。氫鍵在生物化學中也有著重要意義。例如，人體內的蛋白質分子中存在著大量的氫鍵，有利于蛋白質分子的穩定存在。

4.分子間相互作用力對物質溶解性的影響

影響物質在溶劑中溶解程度的因素較復雜。一般說來，“相似者相溶”是一個簡單而較有用的經驗規律。即極性溶質易溶于極性溶劑；非極性（或弱極性）溶質易溶于非極性（或弱極性）溶劑。溶質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物兩類。水是極性較強的溶劑，它既能溶解多數強電解質如HCl、NaOH、K?SO?等，又能與某些極性有機物如丙酮、乙瞇、乙酸等相溶。這主要是由于這些強電解質（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。但強電解質卻難為非極性分子的有機溶劑所溶解，或者說非極性溶劑分子難以克服這些電解質本身微粒間的作用力，而使它們分散或溶解。

有機溶劑主要有兩類：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物，如機油、潤滑油。因此，在機械和電子工業中常用來清洗金屬部件表面的潤滑油等礦物性油污；另一類是極性較強的有機溶劑，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、竣基這類極性較強的基團，并且還含有烷基類基團，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物，如汽油、鹵代疑等。根據這一特點，在金屬部件清洗過程中，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，可將經水洗后的部件用少量乙醇擦洗表面，以加速水分揮發。這一清洗過程主要依賴于分子間相互作用力的相似，即“相似者相溶”的規律。

金屬在切削等機械加工過程中，除會沾有礦物性油脂（潤滑油等）外，往往還殘留有動物性油脂（如高級脂肪酸的甘油酯），對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，在分子中，一端含有極性較強的竣基，另一端則是碳鏈較長的烷基（如含17個碳原子的烷基），前者與水分子有較強的作用力，所以易溶于水。而后者與油類分子有較強的作用力，因此，肥皂在水中可以達到去除織物上的油污的目的。包括肥皂在內的這類物質屬于表面活性劑，在工業生產和科研中用途甚廣。