溶解度Solubility

“相似相溶”要说清是哪种作用力

2.9.1 节用“相似相溶”判断物质能不能溶解。AP U3.10 要求更进一步：说出溶质粒子之间、溶剂分子之间、溶质和溶剂之间各是什么作用力，再比较它们的强弱。只写“极性物质溶于极性溶剂”是拿不到分的。

溶解：拆开两种作用力，再形成一种

可以把溶解分成三步来想：

1. 拆开溶质粒子之间的作用力（需要能量）；
2. 在溶剂分子之间“挤”出空间，也就是拆开一部分溶剂分子之间的作用力（需要能量）；
3. 溶质粒子和溶剂分子之间形成新的作用力（放出能量）。

新形成的溶质–溶剂作用力solute–solvent interactions和被拆开的作用力强弱相当时，溶质就能溶解，两种液体能够互溶miscible。如果新形成的作用力弱得多，溶质粒子和溶剂分子会各自聚在一起：固体难溶，液体分成两层（不互溶）。

离子化合物：能溶于水，不溶于非极性溶剂

NaCl 溶于水时，Na⁺ 被水分子中带部分负电荷的 O 包围，Cl⁻ 被带部分正电荷的 H 包围（U3.8 的粒子图）。这种离子–偶极作用ion–dipole interaction很强，能够替代离子之间的静电吸引和水分子之间的氢键。

把 NaCl 放进四氯化碳（$\ce{CCl4}$）或己烷中，溶剂分子是非极性的，和离子之间只有很弱的离子–诱导偶极作用，远远补偿不了拆开离子晶体所需的能量，所以 NaCl 几乎不溶。

分子化合物：看能形成氢键的部分和非极性部分

• 非极性分子（如 $\ce{I2}$、戊烷 $\ce{C5H12}$）之间只有色散力，和己烷、$\ce{CCl4}$ 之间也是色散力，强弱相当，所以易溶或互溶。放进水中时，要拆开水分子之间较强的氢键，却只能换来很弱的偶极–诱导偶极作用和色散力，所以难溶。
• 含 –OH 的分子能和水形成氢键。–OH 越多、非极性的碳链越短，在水中越易溶。

所以在水中的溶解性：戊烷 < 1-丁醇 < 1,3-丙二醇。在己烷中正好相反：非极性部分越大、能形成氢键的基团越少，和己烷之间的色散力越接近被拆开的作用力，越易溶。

选一种溶质和一种溶剂，看要拆开的作用力、新形成的作用力和试管里的结果：

萃取：哪一层在上看密度，溶质去哪层看作用力

$\ce{I2}$ 在水中只溶解一点点，溶液呈浅黄褐色。往碘水中加入己烷，振荡后静置：

• 己烷和水不互溶（理由和戊烷一样），分成两层；
• $\ce{I2}$ 和己烷之间的色散力，与它们各自被拆开的作用力强弱相当，大部分 $\ce{I2}$ 进入己烷层，呈紫色；
• 己烷的密度（0.66 g/cm³）比水（1.00 g/cm³）小，己烷层在上面。

换成 $\ce{CCl4}$（1.59 g/cm³），紫色的一层就在下面。像这样用一种溶剂把溶质从另一种互不相溶的溶剂中提取出来，叫做萃取extraction。哪一层在上面只看密度；溶质进入哪一层看分子间作用力。这是两个不同的问题。

溶解度和温度：降温结晶与回收率

大多数固体的溶解度随温度升高而增大（1.7.5 节）。把高温下的饱和溶液冷却，溶不下的溶质就结晶析出，这是提纯固体的常用方法。

冷却后仍有一部分溶质溶在溶液里，所以回收率总小于 100%。溶解度随温度变化越大，回收率越高。拖动两个温度试一试：

例题 1：比较溶解性并说明理由

把戊烷、1-丁醇、1,3-丙二醇按在水中的溶解性从小到大排列，并用分子间作用力说明理由。

例题 2：降温结晶的回收率

60 °C 时用 50.0 g 水配成 $\ce{KNO3}$ 的饱和溶液，冷却到 20 °C。$\ce{KNO3}$ 的溶解度：60 °C 时 110 g/100 g 水，20 °C 时 31.6 g/100 g 水。求析出的晶体质量和回收率。

常见误区

即时小测

AP 自由作答题

小结

• 溶解要拆开溶质粒子之间、溶剂分子之间的作用力，再形成溶质–溶剂作用力；新作用力和被拆开的强弱相当，才能溶解或互溶。
• 离子化合物在水中形成离子–偶极作用而溶解；在非极性溶剂中只有很弱的离子–诱导偶极作用，几乎不溶。
• 分子化合物：能形成氢键的基团越多、非极性部分越小，在水中越易溶，在己烷中越难溶。
• 萃取：溶质进入作用力更匹配的那一层；哪一层在上面只看密度。
• 降温结晶的回收率 = 析出晶体的质量 ÷ 原来溶解的质量 × 100%，溶解度随温度变化越大，回收率越高。