清洗工作中關於溶液（yè）與溶解（jiě）理論的認知

一、溶液的基本概念

1.溶（róng）液的定（dìng）義

溶液是指一種或一種以（yǐ）上的物質分散到另一種物質裏，形成的均一的、穩定的混合物。由溶液的（de）定義可知，溶液由兩種或兩種以上的物質組成，在物質分類上屬於混合物。溶液的特征是均一性和穩定性。所謂均一性是（shì）指溶（róng）液中各部分的（de）組成和性質完全（quán）相同。所謂穩定性，是指如（rú）果溫度不改變，溶（róng）劑不蒸發，溶質和（hé）溶劑不會自行分離。

溶液是一類比較特殊的混（hún）合物（wù）。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（de）。

2.溶液的組（zǔ）成

溶液（yè）由溶（róng）質（zhì）和溶劑兩部分組成。溶質是被溶解的物質（zhì），可以是固體，也可以是氣體或液體。但是隻（zhī）有已經（jīng）溶解的那部分物質才是溶質，如果有仍（réng）未（wèi）溶解的物質，那麽未溶解的那部分物質不是（shì）溶（róng）質。溶劑是（shì）能夠溶解（jiě）其他物質的物質，溶劑一般是液體，最常（cháng）見的溶劑是水（shuǐ）。

如果是固體或氣體溶解在液體中，那麽固體或氣體是溶質，液（yè）體（tǐ）是（shì）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（yè）體（tǐ）為溶劑，量少的液體為溶質。溶液質量=溶質質量+溶劑質量，但是由於微粒（lì）之間有空（kōng）隙，在溶（róng）解過程中，溶質的微粒和溶劑的微粒會填補一部分（fèn）空隙，因此（cǐ）溶液體（tǐ）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（lìng）一種是根據（jù）在一定條件下能否繼續溶解某種（zhǒng）溶質把（bǎ）溶液分（fèn）為飽和溶液和（hé）不飽和溶液。濃（nóng）溶液和稀溶（róng）液隻是相對而言，沒有具體的標（biāo）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（yè）叫做這種溶質的不飽和溶液。溶液是否飽和必（bì）須強調“在一定溫度（dù）下”和“在一定量溶劑中”。因為溫度和溶劑量的改（gǎi）變會使飽和溶（róng）液變為不（bú）飽和溶液（yè），也可以使不飽和溶液變為飽和溶液。飽和與不（bú）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（róng）液，可能是另一種溶質的不飽（bǎo）和溶液，也就是說溶液中溶質不一定（dìng）隻有一種，如汽水是CO₂氣體的飽（bǎo）和溶液，是糖的不（bú）飽和溶液，不（bú）能在一定（dìng）條件下再溶CO₂，但還可再溶（róng）解糖。

濃溶液與稀溶液，飽和（hé）溶液與不飽和溶液（yè）是兩種不同的分類方（fāng）法。二者之間沒有必然的聯係。對於不（bú）同的溶質，或（huò）是同種溶質但（dàn）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（xī）溶液。對於同種溶質，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（jiě）溶質（zhì）達（dá）飽和時，所含溶質的量稱為溶解度。任何一種表示（shì）濃度的單位都可用（yòng）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（shì）法（fǎ），通常用一定（dìng）溫度下，100g溶劑形成飽和（hé）溶液時所溶解溶質的質量（單位為g）表示。物質溶解度的大（dà）小（xiǎo）與很多因素有關，主要決定於（yú）溶質和溶劑的本（běn）性以及外（wài）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，隻有個別（bié）物質的（de）溶解度隨溫度的（de）升高（gāo）反（fǎn）而減小。利用在（zài）不同溫度下物質的（de）溶解度不同這一性質（zhì），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（jiā）熱溶解於（yú）適當的溶劑中，使其（qí）成為飽和或接近飽和溶液，趁熱濾去不（bú）溶性雜質，然後將溶液冷卻，這時因物質的溶解度減小，勢必從（cóng）溶液中析出結晶，而可溶性雜質由於含量少，遠未達（dá）到飽和而留在母液（yè）中。最後過濾，使（shǐ）析出的結晶與母液分離而得到較純物（wù）質。這種操作（zuò）稱為重結晶。

二、相（xiàng）似相溶原理概述

1.非（fēi）極性鍵和（hé）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（gòng）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（jiàn）的原子都不顯電性。這樣的共價鍵叫做非極性共價鍵，簡（jiǎn）稱非極性鍵。例如，H—H鍵、C1—C1鍵都是非（fēi）極性鍵。

在化合物分子（zǐ）中（zhōng），不同種原子形成的共價鍵，由於不同（tóng）原子吸引電子的能力不同，共用電子（zǐ）對（duì）必然偏向吸引電子（zǐ）能力強的原子一方，因而吸引電子能力較強的（de）原子一方相（xiàng）對地（dì）顯負（fù）電性，吸引電子能力（lì）較弱的原子一方相對地（dì）顯正電性。也就是說，在（zài）這樣的分子中共（gòng）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（jiǎn）稱極性鍵。例如，在HC1分子裏，C1原子（zǐ）吸引電子的能力比（bǐ）H原子強，共用電（diàn）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（xiǎn）正（zhèng）電性，因此，H原子與C1原（yuán）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（biǎo）格P9

2.非極性分（fèn）子和極性分子

我們在研究了鍵的極性（xìng）之後，現在來研究分子的極性。

如果分子中的鍵都是（shì）非極性（xìng）的，共用電子對不偏（piān）向任何一個原子，整個分子的電荷（hé）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（fèn）子H₂、O₂、CI₂、N₂等。

以極性鍵結（jié）合的雙（shuāng）原子分子如HC1分子（zǐ）裏，共用電子對（duì）偏向C1原子，因此C1原子一（yī）端相對地顯（xiǎn）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（xìng）分子。

以極性鍵結合成的多原子分子，可能是極性分子，也（yě）可（kě）能（néng）是非（fēi）極性分子，這決定於分子中各鍵（jiàn）的空間排列。

例如，CO₂是直線型分子，兩個O原子對稱地位於C原子的兩側。

O=C=O

在CO₂分子中，因為O原子吸（xī）引電子的能力比C原子強，共用電子對偏（piān）向於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C0₂分子總體來看，兩個C=O鍵是（shì）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（xìng）。所以，CO₂是（shì）非極性（xìng）分子。

圖2-2CO₂分子示意圖

H₂O分（fèn）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於H原子，共用電子對偏向於（yú）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。由於O原子在分（fèn）子的一（yī）端，整個分子電荷分布（bù）不對稱，因此，H₂O分子是極性（xìng）分（fèn）子。

3.分子間相互作用力

分子間的相互作用力包括分（fèn）子（zǐ）間力和氫鍵。

（1）分子間力（lì）

共價分子相互接近時（shí）可以產生性質不同的結合（hé）力。當非極性分（fèn）子相互靠近時，由於電子的不斷運動和原子（zǐ）核的不斷振動，要使每一瞬（shùn）間（jiān）正、負電荷中心都重合是不（bú）可能的，在某（mǒu）一瞬間總會（huì）有偶極存在，這種偶極叫做瞬間偶極。瞬（shùn）間偶極之間總是（shì）處（chù）於（yú）異極相吸的狀態（tài）。由瞬間偶極產生的分（fèn）子間力叫做色（sè）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。由於固（gù）有偶極的相互作用，極性分（fèn）子在空間就按異極相（xiàng）吸的狀態取向（xiàng）［見圖2-4（b）］。由固有偶極之間的（de）取向而產生（shēng）的分子間力叫做（zuò）取（qǔ）向（xiàng）力。由於（yú）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（shēng）了誘導偶（ǒu）極［見圖（tú）2-4（d）］。誘導偶極與（yǔ）固有偶（ǒu）極之間產生的分子間力叫做誘導力（lì）。因此，在極性分子之間（jiān）還存在（zài）著誘導力。誘導力還存（cún）在於非（fēi）極性分子與極性（xìng）分子（zǐ）之間。

圖2-4極性分子相互作用的示意圖（tú）

總之，在非極性（xìng）分子（zǐ）與非極性分子之間隻存（cún）在（zài）著色（sè）散力；在極（jí）性分（fèn）子之間存在著色散力、誘導力（lì）和取向力。取向力、誘導力和色散力的總和通常（cháng）叫（jiào）做分子間力，又稱為範德（dé）華（VanderWaals）力。其（qí）中色散力在各種分（fèn）子之間都有，而且一（yī）般也是（shì）最主要的；隻有當分子的極性很大（如魚H₂O分子（zǐ）之間）時（shí）才以取向力為主；而（ér）誘導力（lì）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（lì）的作（zuò）用範圍很小（xiǎo），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（xià），因分子間（jiān）距離（lí）較大，可以忽略分子間力的影響。

（2）氫鍵

除上述三種分（fèn）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（jiàn）是指氫原子與（yǔ）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（jìng）又較小的Y原（yuán）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（fèn）子內的鍵。可簡（jiǎn）單示意如下：

X—H……Y

能形成氫鍵的物質相當廣泛，例如，HF、H₂O、NH₃、無機含氧酸和有機（jī）竣酸（suān）、醇、胺、蛋白質以及某些合成高分子化合物等物質的分子（zǐ）（或分（fèn）子鏈）之間都存在著氫鍵（jiàn）。因為這些（xiē）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（yǒu）機物的分子中雖有氫、氧原子（zǐ）存（cún）在，但與氫（qīng）原子直接連接的是電負性（xìng）較小的碳原子（zǐ），所以通常這些同種化合物的分子之間不能（néng）形成氫鍵。

氫鍵具有飽和性和方向性。例如（rú），固體HF中氫鍵結構可（kě）簡單表達（dá）如（rú）下：

圖片P11

氫鍵的鍵能比化（huà）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（zǐ）間的相互作用。氫鍵在生物化學中（zhōng）也有著重要意義。例如，人體內的（de）蛋白質分子中存在著大量的氫（qīng）鍵，有（yǒu）利於蛋白（bái）質（zhì）分子的穩定存在。

4.分子間相互作用力對物質溶解（jiě）性的影響

影響物質在溶劑中溶解程度的因素較（jiào）複雜。一般說（shuō）來，“相似者相溶”是一個簡單而較有用的經驗規律。即極性溶質易溶於極性溶劑；非極性（或弱極性）溶質（zhì）易溶於非極性（或弱極性）溶劑（jì）。溶質與溶（róng）劑的極（jí）性越相（xiàng）近，越易互溶。例如，碘易溶於苯或四（sì）氯化碳，而難（nán）溶於水。這主要是碘、苯和四氯化碳等都為非極（jí）性分子，分子間存在著相似的（de）作用力（都為色散力），而水為極性分子，分子之間除存在範德華力外還有氫鍵，因此碘難溶於水（shuǐ）。

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（qiáng）電解質如HCl、NaOH、K₂SO₄等，又能與某些極性有（yǒu）機物如丙酮、乙瞇、乙酸等相溶（róng）。這主要是由於這些強電解質（離子型化合物或極性分子化合物）與極性分子H₂O能相互作用而形成正、負水合離（lí）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（yīn）此它們也能（néng）溶於水（shuǐ）。但強電（diàn）解質（zhì）卻難為非極（jí）性分子的有機溶劑所（suǒ）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（róng）劑主要有（yǒu）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（lǜ）甲烷、三氯（lǜ）乙烯、四氯乙烯和（hé）某些其他鹵代桂（guì）等。它們一般難（nán）溶或（huò）微溶於（yú）水，但都能溶解非極性或弱極性的有機（jī）物，如機油、潤滑油。因此（cǐ），在機械和電子工業中常用來清洗金屬部件表麵的潤滑油等礦物性油汙；另一類是（shì）極性較強的有（yǒu）機溶劑（jì），如乙醇（chún）、丙酮以及低分子（zǐ）量的按酸等。這類溶（róng）劑的分子中，既包含有羥基（-OH）、按基、竣基這類極（jí）性較強的基團，並且（qiě）還含（hán）有（yǒu）烷基類基（jī）團（tuán），前者能與（yǔ）極性溶劑如水相（xiàng）溶，而後者則能溶解於弱極性或非（fēi）極性的有機物，如汽油、鹵（lǔ）代疑等。根據（jù）這一特點，在金屬部件清洗（xǐ）過程中，往往先以甲苯、汽油（yóu）或鹵代桂等去除零件表麵的油汙（主要是礦物油），然後再以這類（lèi）極性溶（róng）劑（如（rú）丙酮）洗去殘留在部件表麵的非極性或弱極性溶劑，最後以水洗淨（jìng）。為使其盡快幹燥，可將經水洗後的部件用少量（liàng）乙醇擦洗表麵，以加速水分揮（huī）發。這一清洗過程主要依賴於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（xuē）等（děng）機械加工過程中，除（chú）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），對於這類（lèi）油脂一般也可用堿液去（qù）除。

順便指（zhǐ）出，如肥皂這（zhè）類物質，在分子中，一端含有極性較強的（de）竣基，另一端則是碳鏈較長的烷基（jī）（如含（hán）17個碳原子的烷基），前者與水分子有較強的作用（yòng）力，所以易溶於水。而（ér）後者（zhě）與油類分子有較強的作用力，因此，肥（féi）皂在水中可以達到去除（chú）織物上的油汙的目的。包括肥皂在內（nèi）的這類（lèi）物質（zhì）屬（shǔ）於（yú）表麵活性劑，在工業生產和科研中用途甚廣。