溶液相關基礎知識（1）

昵稱14934981 2025-06-22 發(fā)布于遼寧

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4.1: Introduction to solutions（溶液）

在上一章中，我們重點討論了物質(zhì)的組成——只含單一種元素或化合物的樣品。然而，在自然界中，比起純凈物，更常見的是混合物——即由兩種或多種物質(zhì)物理混合而成的樣品。與純凈物類似，混合物的相對組成在決定其性質(zhì)時同樣扮演重要角色。

例如，一顆行星大氣中氧氣的相對含量決定了其是否能夠維持需氧生命。
鋼是由鐵、碳、鎳及其他元素組成的混合物（稱為“合金”）；這些元素的比例決定了鋼的機械強度和耐腐蝕性。
一種藥物中有效成分的含量決定了其藥理效果的強弱。
飲料中糖的相對含量決定了其甜度（見圖?4.1.1）。

注釋?1：這里的“相對組成”可用多種定量方式表達，本章將介紹其中最常用的一種——摩爾濃度。
注釋?2：“物理混合”意味著各組分之間并未發(fā)生化學鍵的斷裂或生成，因而可以通過物理方法（如蒸餾、過濾、色譜）分離各成分。

圖?4.1.1：糖是咖啡這一復雜混合物中的眾多成分之一。一定量咖啡中的糖含量是決定其甜度的重要因素。（圖片來源：Jane?Whitney）

溶液是一種均相混合物，即其組成（從而其性質(zhì)）在整個體系中均勻一致。溶液在自然界中十分常見，也廣泛應用于各種人造技術中。本章稍后會在“溶液與膠體”章節(jié)中更系統(tǒng)地討論溶液性質(zhì)，這里僅介紹一些基本概念。

某一溶液組分的相對量稱為其濃度。在許多情況下，溶液中會有一種組分的濃度顯著高于其他所有組分，這種組分稱為溶劑。溶劑可被視為分散或溶解其他組分（稱為溶質(zhì)）的介質(zhì)。以水作溶劑的溶液在地球上最為常見，這類溶液稱為水溶液（aqueous solution，縮寫 aq）。

溶質(zhì)通常是指濃度遠低于溶劑的組分。描述溶質(zhì)濃度時，人們常用稀（dilute，濃度相對低）或濃（concentrated，濃度相對高）等定性術語。若需定量表達，可采用多種不同的濃度單位；本章將介紹摩爾濃度（Molarity,?M），這在化學中極為常用。

注釋?3：

摩爾濃度 M 定義：M=n(溶質(zhì))/V(溶液)，其中 n 為溶質(zhì)的物質(zhì)的量（單位 mol），V 為溶液總體積（單位 L）。
在實驗操作中，配制一定摩爾濃度的溶液常需先稱量所需溶質(zhì)的質(zhì)量，再定容至刻度容量瓶標線。
對于溫度敏感體系，應注意溶液體積隨溫度變化而膨脹/收縮，從而影響實際濃度。

術語表（中英對照）

英文術語	中文對應	說明
aqueous solution	水溶液	以水為溶劑的溶液，常用“(aq)”表示
concentrated	濃溶液	溶質(zhì)濃度相對較高（定性描述）
concentration	濃度	表示溶質(zhì)與溶劑相對量的定量指標
dilute	稀溶液	溶質(zhì)濃度相對較低（定性描述）
dissolved	溶解	溶質(zhì)以分子/離子層面分散于溶劑中
solute	溶質(zhì)	濃度較低、被溶劑分散的組分
solvent	溶劑	濃度最高、分散其他組分的介質(zhì)

額外補充

質(zhì)量百分比濃度 ()
w/w%=(m溶質(zhì)/ m溶液)×100% 多用于制藥、食品行業(yè)

體積分數(shù)
尤其適用于氣體或液體互溶體系，例如乙醇–水消毒液中常標注“75?vol%”。

摩爾分數(shù)
在相平衡、氣體分壓計算中極為方便：xi=ni/∑n。

通過掌握上述概念，可為后續(xù)學習溶液性質(zhì)（如沸點升高、冰點降低、滲透壓等）奠定基礎。

4.2: Solution Concentration（溶液濃度）

在日常生活中，人們對“濃度”往往只有定性的理解。例如，沖泡速溶咖啡或檸檬汁時，如果粉末放得過多，所得飲料味道濃烈，即溶液高度濃縮；若粉末過少，則溶液稀薄，幾乎與清水無異。在化學中，溶液的濃度是指某一特定量的溶劑或溶液中所含溶質(zhì)的量。準確掌握溶質(zhì)濃度對于控制溶液反應的化學計量至關重要?；瘜W工作者采用多種方式來表示濃度。本節(jié)重點討論“摩爾濃度”（molarity）這一在化學中極為常用的濃度單位。此外，在臨床實驗室與工程應用中，濃度也常以質(zhì)量—質(zhì)量（m/m）或質(zhì)量—體積（m/v）的形式報告。

質(zhì)量—質(zhì)量（m/m）：每克溶液中溶質(zhì)的克數(shù)。
質(zhì)量—體積（m/v）：每毫升溶液中溶質(zhì)的克數(shù)。

將上述兩種比值乘以 100 即可得到百分比表示，分別稱為 百分比質(zhì)量分數(shù)（% m/m） 和 百分比質(zhì)量-體積分數(shù)（% m/v）。

對于極稀溶液，常用 百萬分之一（ppm） 與 十億分之一（ppb） 來表示濃度：

ppm：每10^{6}克溶液中溶質(zhì)的克數(shù)；在 20?°C 的水溶液中相當于每毫升 1?μg。
ppb：每10^{9}克溶液中溶質(zhì)的克數(shù)；在 20?°C 的水溶液中相當于每毫升 1?ng。

這些常用濃度單位匯總于表 4.2.1，并將在第 13 章中詳細討論。

濃度表示	單位
m/m	g 溶質(zhì) / g 溶液
m/v	g 溶質(zhì) / mL 溶液
ppm	g 溶質(zhì) / 10^{6}
ppb	g 溶質(zhì) / 10^{9}

摩爾濃度（Molarity）

最常用的濃度單位是 摩爾濃度，記作 MM。它定義為 每 1?L 溶液中所含溶質(zhì)的摩爾數(shù)。等效地，也可表述為 每 1?mL 溶液中所含溶質(zhì)的毫摩爾數(shù)：

溶液的配制

若要配制含有特定濃度的溶液，必須先稱取所需摩爾數(shù)的溶質(zhì)，然后將其溶解，并補加溶劑直至達到目標溶液體積。如圖?4.2.1 所示，以乙醇中的氯化鈷二水合物為例說明了這一過程。請注意，此處并未給出溶劑的準確體積。由于溶質(zhì)在溶液中同樣占據(jù)空間，因此實際所需的溶劑體積幾乎總是小于目標溶液體積。

例如，若要配置 1.00?L 溶液，就不能簡單地向 342?g 蔗糖中加入 1.00?L 水——那樣將導致最終體積超過 1.00?L。正如圖?4.2.2 所示，對于某些物質(zhì)（尤其是配制高濃度溶液時），這一體積收縮效應可能十分顯著。

圖 4.2.2 ：配制 250 毫升 (NH4)2Cr2O7 水溶液。溶質(zhì)占據(jù)了溶液中的空間，因此配制 250 毫升溶液所需的水少于 250 毫升。

溶液的濃度用于衡量在一定量溶液中溶質(zhì)的相對含量。濃度可采用多種單位表示，其中最常用且極具實用價值的單位是摩爾濃度（molarity, MM），定義為每升溶液所含溶質(zhì)的摩爾數(shù)。
若向原溶液中加入溶劑，則溶質(zhì)總量保持不變而總體積增加，從而降低溶液的摩爾濃度，這一過程稱為稀釋（dilution）。

稀釋前后濃度與體積之間滿足簡明的稀釋方程：

C1V1=C2V2

其中

C1、V1 為稀釋前（原液）的濃度與體積，
C2、為稀釋后（目標溶液）的濃度與體積。

該方程體現(xiàn)了稀釋過程中溶質(zhì)物質(zhì)的量守恒，可用于快速計算任意一個未知量（通常是所需加入的溶劑體積或目標濃度）。

稀釋（Dilution）

稀釋是指通過向溶液中加入溶劑來降低其濃度的過程。例如，一杯冰茶隨著冰塊融化而逐漸被稀釋：來自冰塊的水增大了溶劑（水）的體積，也增大了整體溶液（冰茶）的體積，從而降低了賦予飲品風味的溶質(zhì)的相對濃度（圖?4.3.1）。

圖?4.3.1　兩支量筒中含有相同質(zhì)量的硝酸銅；右側(cè)溶液的體積更大，因此其濃度更低，即“更稀釋”。

在實驗室中，稀釋也是配制特定濃度溶液的常用手段。我們可從濃度已知的儲備液（stock solution）中量取一定體積，再加溶劑稀釋至目標體積，即可獲得所需濃度的溶液。圖?4.3.2 展示了這一操作流程：

圖?4.3.2　由儲備液稀釋配制已知濃度溶液的步驟。
(a) 從濃度為 Ms 的儲備液中量取體積，其所含溶質(zhì)的物質(zhì)的量滿足 n=MsVs
(b) 將該體積的儲備液轉(zhuǎn)移至另一容量瓶。
(c) 向容量瓶中加入溶劑稀釋至刻度線，達到最終體積 Vd，所得溶液濃度為 Md。過程遵循 (Vs)(Ms)=(Vd)(Md)。