清洗工作中关于溶液与溶解理论的认知

一、溶液的基本概念

1.溶液的定义

溶液是指一种或一种以上的物质分散到另一种物质里，形成的均一的、稳定的混合物。由溶液的定义可知，溶液由两种或两种以上的物质组成，在物质分类上属于混合物。溶液的特征是均一性和稳定性。所谓均一性是指溶液中各部分的组成和性质完全相同。所谓稳定性，是指如果温度不改变，溶剂不蒸发，溶质和溶剂不会自行分离。

溶液是一类比较特殊的混合物。其他一些混合物一般没有固定的组成，而溶液的组成在一定条件下是固定的。

2.溶液的组成

溶液由溶质和溶剂两部分组成。溶质是被溶解的物质，可以是固体，也可以是气体或液体。但是只有已经溶解的那部分物质才是溶质，如果有仍未溶解的物质，那么未溶解的那部分物质不是溶质。溶剂是能够溶解其他物质的物质，溶剂一般是液体，最常见的溶剂是水。

如果是固体或气体溶解在液体中，那么固体或气体是溶质，液体是溶剂。如果是两种液体互溶，一般水作为溶剂，若没有水，则量多的液体为溶剂，量少的液体为溶质。溶液质量=溶质质量+溶剂质量，但是由于微粒之间有空隙，在溶解过程中，溶质的微粒和溶剂的微粒会填补一部分空隙，因此溶液体积≠溶质体积+溶剂体积。

3.溶液的分类

溶液有两种分类方法，一种是根据溶液的浓度，可以把溶液分为浓溶液和稀溶液；另一种是根据在一定条件下能否继续溶解某种溶质把溶液分为饱和溶液和不饱和溶液。浓溶液和稀溶液只是相对而言，没有具体的标准。

饱和溶液和不饱和溶液：在一定温度下，一定量的溶剂中，不能继续溶解某种溶质的溶液叫做这种溶质的饱和溶液；还能继续溶解某种溶质的溶液叫做这种溶质的不饱和溶液。溶液是否饱和必须强调“在一定温度下”和“在一定量溶剂中”。因为温度和溶剂量的改变会使饱和溶液变为不饱和溶液，也可以使不饱和溶液变为饱和溶液。饱和与不饱和是溶液在一定条件的状态，如果条件改变，状态也会改变。此外溶液是否饱和，还要指明是某溶质的。因为一种溶质的饱和溶液，可能是另一种溶质的不饱和溶液，也就是说溶液中溶质不一定只有一种，如汽水是CO₂气体的饱和溶液，是糖的不饱和溶液，不能在一定条件下再溶CO₂，但还可再溶解糖。

浓溶液与稀溶液，饱和溶液与不饱和溶液是两种不同的分类方法。二者之间没有必然的联系。对于不同的溶质，或是同种溶质但温度不同，饱和溶液不一定是浓溶液，不饱和溶液不一定是稀溶液。对于同种溶质，同一温度下，饱和溶液比不饱和溶液浓。

4.溶解度

在一定条件（温度、压力）下，一定量的溶剂溶解溶质达饱和时，所含溶质的量称为溶解度。任何一种表示浓度的单位都可用来作为溶解度的单位。因此，根据工作需要，溶解度可以有各种不同的表示法，通常用一定温度下，100g溶剂形成饱和溶液时所溶解溶质的质量（单位为g）表示。物质溶解度的大小与很多因素有关，主要决定于溶质和溶剂的本性以及外界的温度和压力。

大多数固体物质的溶解度随温度升高而增大，只有个别物质的溶解度随温度的升高反而减小。利用在不同温度下物质的溶解度不同这一性质，可以进行物质的提纯以除去其中杂质。在实际工作中，常将要提纯的物质先加热溶解于适当的溶剂中，使其成为饱和或接近饱和溶液，趁热滤去不溶性杂质，然后将溶液冷却，这时因物质的溶解度减小，势必从溶液中析出结晶，而可溶性杂质由于含量少，远未达到饱和而留在母液中。最后过滤，使析出的结晶与母液分离而得到较纯物质。这种操作称为重结晶。

二、相似相溶原理概述

1.非极性键和极性键

在单质分子中，同种原子形成共价键，两个原子吸引电子的能力相同，共用电子对不偏向任何一个原子，电荷在两个原子核附近对称地分布，因此成键的原子都不显电性。这样的共价键叫做非极性共价键，简称非极性键。例如，H—H键、C1—C1键都是非极性键。

在化合物分子中，不同种原子形成的共价键，由于不同原子吸引电子的能力不同，共用电子对必然偏向吸引电子能力强的原子一方，因而吸引电子能力较强的原子一方相对地显负电性，吸引电子能力较弱的原子一方相对地显正电性。也就是说，在这样的分子中共用电子对的电荷是非对称分布的。人们把这样的共价键叫做极性共价键，简称极性键。例如，在HC1分子里，C1原子吸引电子的能力比H原子强，共用电子对的电荷偏向C1原子一端，使C1原子一端相对地显负电性，H原子一端相对地显正电性，因此，H原子与C1原子之间的共价键是极性键。HC1分子可以用如下的电子式表示：

表格P9

2.非极性分子和极性分子

我们在研究了键的极性之后，现在来研究分子的极性。

如果分子中的键都是非极性的，共用电子对不偏向任何一个原子，整个分子的电荷分布是对称的，这样的分子叫做非极性分子。以非极性键结合成的双原子分子都是非极•性另子，如非金属单质的双原子分子H₂、O₂、CI₂、N₂等。

以极性键结合的双原子分子如HC1分子里，共用电子对偏向C1原子，因此C1原子一端相对地显负电性，H原子一端相对地显正电性，整个分子的电荷分布是不对称的，这样的分子叫做极性分子。以极性键结合成的双原子分子都是极性分子。

以极性键结合成的多原子分子，可能是极性分子，也可能是非极性分子，这决定于分子中各键的空间排列。

例如，CO₂是直线型分子，两个O原子对称地位于C原子的两侧。

O=C=O

在CO₂分子中，因为O原子吸引电子的能力比C原子强，共用电子对偏向于O原子，使得O原子一端相对地显负电性，因此C=O键是极性键。但从C0₂分子总体来看，两个C=O键是对称排列的，两键的极性互相抵消，整个分子没有极性。所以，CO₂是非极性分子。

图2-2CO₂分子示意图

H₂O分子的情况不同，它的两个O—H键之间有一个夹角，约为104.5°（如图2-3）。

O—H键是极性键，O原子吸引电子的能力强于H原子，共用电子对偏向于O原子，使得O原子一端相对地显负电性，H原子一端相对地显正电性。由于O原子在分子的一端，整个分子电荷分布不对称，因此，H₂O分子是极性分子。

3.分子间相互作用力

分子间的相互作用力包括分子间力和氢键。

（1）分子间力

共价分子相互接近时可以产生性质不同的结合力。当非极性分子相互靠近时，由于电子的不断运动和原子核的不断振动，要使每一瞬间正、负电荷中心都重合是不可能的，在某一瞬间总会有偶极存在，这种偶极叫做瞬间偶极。瞬间偶极之间总是处于异极相吸的状态。由瞬间偶极产生的分子间力叫做色散力。

当极性分子相互靠近时，色散力也起着作用。此外，它们还存在着固有偶极。由于固有偶极的相互作用，极性分子在空间就按异极相吸的状态取向［见图2-4（b）］。由固有偶极之间的取向而产生的分子间力叫做取向力。由于取向力的存在，使极性分子更加靠近［见图2-4（c）］，同时在相邻分子的固有偶极作用下，使每个分子的正、负电荷中心更加分开，产生了诱导偶极［见图2-4（d）］。诱导偶极与固有偶极之间产生的分子间力叫做诱导力。因此，在极性分子之间还存在着诱导力。诱导力还存在于非极性分子与极性分子之间。

图2-4极性分子相互作用的示意图

总之，在非极性分子与非极性分子之间只存在着色散力；在极性分子之间存在着色散力、诱导力和取向力。取向力、诱导力和色散力的总和通常叫做分子间力，又称为范德华（VanderWaals）力。其中色散力在各种分子之间都有，而且一般也是最主要的；只有当分子的极性很大（如鱼H₂O分子之间）时才以取向力为主；而诱导力一般较小。

分子间作用能很小（一般为0.2〜50kJ-mol^-1），与共价键的键能（一般为100〜450kJ-mol^-1）相比可以差1〜2个数量级。分子间力没有方向性和饱和性。分子间力的作用范围很小，它随分子之间距离的增大而迅速减弱。所以气体在压力较低的情况下，因分子间距离较大，可以忽略分子间力的影响。

（2）氢键

除上述三种分子间力之外，在某些化含物的分子之间或分子内还存在着与分子间力大小接近的另一种作用力——氢键。氢键是指氢原子与电负性较大的X原子（如F、O、N原子）以极性共价键相结合时，还能吸引另一个电负性较大，而半径又较小的Y原子（X原子也可与Y原子相同，也可不同）的孤对电子所形成的分子间或分子内的键。可简单示意如下：

X—H……Y

能形成氢键的物质相当广泛，例如，HF、H₂O、NH₃、无机含氧酸和有机竣酸、醇、胺、蛋白质以及某些合成高分子化合物等物质的分子（或分子链）之间都存在着氢键。因为这些物质的分子中，含有F—H键、O—H键或N—H键。而醛、酮，例如，乙醛和丙酮等有机物的分子中虽有氢、氧原子存在，但与氢原子直接连接的是电负性较小的碳原子，所以通常这些同种化合物的分子之间不能形成氢键。

氢键具有饱和性和方向性。例如，固体HF中氢键结构可简单表达如下：

图片P11

氢键的键能比化学键要弱得多，与分子间力有相同的数量级。但分子间存在氢键时，大大加强了分子间的相互作用。氢键在生物化学中也有着重要意义。例如，人体内的蛋白质分子中存在着大量的氢键，有利于蛋白质分子的稳定存在。

4.分子间相互作用力对物质溶解性的影响

影响物质在溶剂中溶解程度的因素较复杂。一般说来，“相似者相溶”是一个简单而较有用的经验规律。即极性溶质易溶于极性溶剂；非极性（或弱极性）溶质易溶于非极性（或弱极性）溶剂。溶质与溶剂的极性越相近，越易互溶。例如，碘易溶于苯或四氯化碳，而难溶于水。这主要是碘、苯和四氯化碳等都为非极性分子，分子间存在着相似的作用力（都为色散力），而水为极性分子，分子之间除存在范德华力外还有氢键，因此碘难溶于水。

通常清洗用的溶剂一般有水和有机物两类。水是极性较强的溶剂，它既能溶解多数强电解质如HCl、NaOH、K₂SO₄等，又能与某些极性有机物如丙酮、乙瞇、乙酸等相溶。这主要是由于这些强电解质（离子型化合物或极性分子化合物）与极性分子H₂O能相互作用而形成正、负水合离子：而乙醯和乙酸等分子不仅有极性，且其氧原子藉孤对电子能与水分子中的H原子形成氢键，因此它们也能溶于水。但强电解质却难为非极性分子的有机溶剂所溶解，或者说非极性溶剂分子难以克服这些电解质本身微粒间的作用力，而使它们分散或溶解。

有机溶剂主要有两类：一类是非极性和弱极性溶剂，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卤代桂等。它们一般难溶或微溶于水，但都能溶解非极性或弱极性的有机物，如机油、润滑油。因此，在机械和电子工业中常用来清洗金属部件表面的润滑油等矿物性油污；另一类是极性较强的有机溶剂，如乙醇、丙酮以及低分子量的按酸等。这类溶剂的分子中，既包含有羟基（-OH）、按基、竣基这类极性较强的基团，并且还含有烷基类基团，前者能与极性溶剂如水相溶，而后者则能溶解于弱极性或非极性的有机物，如汽油、卤代疑等。根据这一特点，在金属部件清洗过程中，往往先以甲苯、汽油或卤代桂等去除零件表面的油污（主要是矿物油），然后再以这类极性溶剂（如丙酮）洗去残留在部件表面的非极性或弱极性溶剂，最后以水洗净。为使其尽快干燥，可将经水洗后的部件用少量乙醇擦洗表面，以加速水分挥发。这一清洗过程主要依赖于分子间相互作用力的相似，即“相似者相溶”的规律。

金属在切削等机械加工过程中，除会沾有矿物性油脂（润滑油等）外，往往还残留有动物性油脂（如高级脂肪酸的甘油酯），对于这类油脂一般也可用碱液去除。

顺便指出，如肥皂这类物质，在分子中，一端含有极性较强的竣基，另一端则是碳链较长的烷基（如含17个碳原子的烷基），前者与水分子有较强的作用力，所以易溶于水。而后者与油类分子有较强的作用力，因此，肥皂在水中可以达到去除织物上的油污的目的。包括肥皂在内的这类物质属于表面活性剂，在工业生产和科研中用途甚广。