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溶液、酸碱盐与生活化学

  1. 01溶液、溶质与溶剂
  2. 02溶解过程与影响因素
  3. 03溶解度的基本概念
  4. 04溶质质量分数
  5. 05 酸的性质
  6. 06碱的性质
  7. 07pH 与酸碱性判断
  8. 08酸碱中和反应
  9. 09盐的基本性质
  10. 10复分解反应
  11. 11常见盐、化肥与粗盐提纯
  12. 12化学与人体健康、材料和可持续发展
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课程化学溶液、酸碱盐与生活化学溶解度的基本概念

溶解度的基本概念

把糖一勺一勺加入凉开水:开始时糖粒全都不见了,继续加入后,杯底却留下了怎么搅也不消失的糖粒。水并不是笼统地“装满了”,而是在这个温度、这一定量的水、面对这种物质时,已经达到了溶解的上限。

本章要把这个上限说清楚:怎样判断饱和,怎样读溶解度曲线,为什么海水要晒盐、硝酸钾常用降温结晶,以及汽水为什么开盖后会冒泡。


一杯溶液还能不能再溶

在一定温度下,一定量溶剂中不能再继续溶解某种溶质的溶液,叫作该溶质的饱和溶液;还能继续溶解的,叫作不饱和溶液。检验时少量加入同种固体并充分搅拌:若还能溶解,说明加入前不饱和;若有固体残留,说明充分溶解后的溶液饱和。全部溶解后也可能恰好饱和,不能把加入前后的状态混为一谈。

可以把水想成固定数量的座位:座位还空着,后来者能坐下;座位都坐满了,再来的人只能留在旁边。温度、溶剂量或溶质种类一变,“座位数”也可能改变,所以“饱和”必须带着条件说。

同温度下未饱和与饱和溶液的对照

澄清透明不等于不饱和。刚好配成饱和溶液、杯底又没有多余固体时,溶液也可以澄清。最可靠的检验是在温度和水量不变时,加入少量同种固体并充分搅拌。

还有一个常见误会:若某条件下 100 g 水最多溶解 36 g 某固体,加入 43 g 后,并不是“43 g 都没溶”;其中 36 g 已溶于水,只有多出的 7 g 留在杯底。

下面先自己改变加入量、加水量和温度,再观察溶液状态怎样改变。

例题:20 ℃时,100 g 水中最多溶解某固体 36 g。向其中加入 43 g 该固体,充分搅拌后,溶液处于什么状态?杯底有多少克固体?

100 g 水的上限是 36 g,加入的 43 g 中有 36 g 溶解,余下 43 g−36 g=7 g43\text{ g}-36\text{ g}=7\text{ g}43 g−36 g=7 g。由于继续加入同种固体也不能再溶,溶液为饱和溶液。

答:饱和;杯底剩 7 g 固体。

溶解度的四个条件

生活中说“它很容易溶”还不够精确。固体物质的溶解度是指:在一定温度下,某固态物质在 100 g 溶剂里达到饱和状态时所溶解的质量。它包含四个不能漏掉的条件:固态物质、一定温度、100 g 溶剂和达到饱和状态;数值单位通常是克。

固体物质溶解度定义中的四个条件

比如“20 ℃时,硝酸钾的溶解度是 31.6 g”的意思是:20 ℃时,100 g 水最多能溶解 31.6 g 硝酸钾,得到的正好是饱和溶液。它不是“100 g 溶液中有 31.6 g 硝酸钾”,也不是任意多的水都只能溶 31.6 g。

水的质量变了,上限按比例变。仍在 20 ℃时,50 g 水只有标准水量的一半,最多溶解 31.6 g×50 g100 g=15.8 g31.6\text{ g}\times\frac{50\text{ g}}{100\text{ g}}=15.8\text{ g}31.6 g×100 g50 g​=15.8 g 硝酸钾。

先锁定温度和物质。不同物质、不同温度的溶解度不能混用。
再把“100 g 水”换成题目中实际的水量,按相同倍数换算最大可溶量。
最后比较实际投入量与最大可溶量。投入更多时,超出的部分只能以固体形式留下。

比较两种固体谁“更易溶”时,必须在同一温度、同一种溶剂下比较溶解度。两杯溶液谁更浓,不能直接说明谁的溶解度更大。

曲线在记录温度怎样改变上限

把不同温度下的溶解度逐点标在图上并连成线,就得到固体物质的溶解度曲线。横轴表示温度,纵轴表示每 100 g 水中最多溶解的溶质质量。曲线较陡,说明该物质的溶解度受温度影响较明显;曲线较平缓,说明影响较小。

两类固体物质溶解度曲线的对比

读图的顺序很朴素:先找到指定温度,竖直找到曲线,再水平读出溶解度。两条曲线的交点只说明在交点对应的温度下两种物质的溶解度相等,不能把这一结论推广到所有温度,更不能据此断定任意两杯溶液析出的晶体一样多。

以 100 g 水为基准,曲线值就是该温度的上限。温度和水量不变、充分搅拌至不再变化时:

  • 实际加入量小于曲线值,固体能全溶,所得溶液是不饱和的;
  • 实际加入量等于曲线值,固体恰好全溶,所得溶液是饱和的;
  • 实际加入量大于曲线值,多出的固体会留下,上层清液仍是饱和溶液。

注意,纵轴写的是“溶解的溶质质量”,不是整杯溶液的质量。

读图推演:40 ℃时,某物质的溶解度为 64 g。向 100 g 水中加入 70 g 该物质,充分搅拌后,别急着把 70 g 当作已溶的溶质。水最多只能容纳 64 g,余下 6 g 留在杯底;液体部分的质量为 100 g+64 g=164 g100\text{ g}+64\text{ g}=164\text{ g}100 g+64 g=164 g。题目给出的“投入量”不一定等于“已溶量”,这是曲线题最容易丢分的地方。

让溶质重新形成晶体

海边晒盐和冷却硝酸钾热饱和溶液,都是让溶在水中的物质重新形成晶体,叫作结晶。选择方法不靠死记,要先看曲线:温度改变时,这种物质的溶解度变化大不大?

蒸发结晶与降温结晶的应用对比

蒸发结晶是让一部分水变成水蒸气离开。水少了,原来能容纳的溶质也少,达到饱和后会有晶体析出。氯化钠的溶解度随温度变化不大,单靠降温析出有限,海水晒盐通常利用蒸发水分。

降温结晶常用于像硝酸钾这样溶解度随温度降低而明显减小的物质。先在较高温度下配成热饱和溶液,再冷却;水能容纳的硝酸钾变少,多出的部分就析出。如果硝酸钾中混有少量氯化钠,氯化钠受降温影响较小,较多地留在母液中,过滤后可得到较纯的硝酸钾晶体。

降温结晶不是所有固体的固定答案。只有溶解度随温度变化明显时,降温才更有利;变化不大时,通常优先考虑蒸发结晶。

例题:60 ℃时,100 g 水恰好溶有 109 g 硝酸钾;20 ℃时,100 g 水最多溶解 31.6 g 硝酸钾。若只冷却到 20 ℃,不蒸发水,析出多少克晶体?

水的质量始终是 100 g。60 ℃时已溶 109 g,冷却到 20 ℃后只能留下 31.6 g,因此析出的质量是:

109 g−31.6 g=77.4 g109\text{ g}-31.6\text{ g}=77.4\text{ g}109 g−31.6 g=77.4 g

答:析出 77.4 g 硝酸钾晶体。能直接相减的前提是题目已说明只降温、不蒸发水。

气体为什么会“跑掉”

固体溶解度的读图主要看温度;气体在水中的溶解还明显受压强影响。通常温度不变时,压强越大,气体越容易溶在水中;压强不变时,温度越高,气体越不容易溶在水中。

气体溶解度在碳酸饮料和鱼池增氧中的表现

密封的碳酸饮料中,二氧化碳处在较高压强下,能较多溶于饮料。开盖后压强降低,二氧化碳的溶解能力减小,气泡便逸出;饮料变暖后,气体还会更容易逸出,所以冰镇饮料通常更不容易“跑气”。

夏天的鱼池温度升高时,水中氧气的溶解量通常减少。增氧设备搅动或喷洒水,能增大水和空气的接触,促进氧气进入水中;它不是把氧气“制造”出来,而是在促进气体交换。

现在自己判一判

练习 1:下列说法正确的是( )

A. 20 ℃时某固体的溶解度为 36 g,指 100 g 溶液中含 36 g 该固体。
B. 溶解度为 36 g,指在一定温度下 100 g 水中最多可溶解 36 g 该固体并达到饱和。
C. 溶液澄清透明,一定是不饱和溶液。
D. 曲线交点表示两种物质在任何温度下溶解度都相等。

答案:B。A 把 100 g 水误写成了 100 g 溶液;C 忽略了“刚好饱和但没有多余固体”的情况;D 把一个温度下的结论误推广到了所有温度。

练习 2:为什么从海水中获得食盐常用日晒蒸发水分,而不主要依靠降温?

食盐的溶解度随温度变化较小,降温能析出的晶体有限;蒸发水使溶剂量减少,溶液更容易达到饱和并析出晶体。因此应根据曲线特征选蒸发结晶。

练习 3:打开冰镇碳酸饮料后有气泡,放在温暖处后气泡更明显。请用两个因素解释。

开盖后压强降低,二氧化碳的溶解能力减小;升温后,气体在水中的溶解能力通常也减小。两个因素都使二氧化碳更容易从饮料中逸出。

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