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溶液的性質 取材自:郝俠遂 教授(淡江大學化學系) [

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Academic year: 2023

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溶液的性質

取材自:郝俠遂 教授(淡江大學化學系)

[了解溶液其實很容易]

(科學發展 :2002 年 8 月,356 期,37~40 頁)

閱讀以下文章,並回答文末的問題….

一輛警車在積雪的街道上緩緩行駛,車上有兩名警察,左 邊那一位在開車,右邊那一位不斷地從一個大紙袋中掏出 一些白色的東西往車窗外扔撒。警察往外扔的是甚麼東西 呢?一直到了學習到「溶液」的性質之後,才弄清楚是怎 麼回事。

甚麼是溶液

一見到「溶液」這個名詞,就會很直覺地聯想到糖水、鹽水 這一類的混合液體。沒錯,糖水與鹽水都是溶液,是由固 體的糖或鹽溶解在液態的水中而形成的。在化學上,被溶 掉的成分比如糖或鹽,稱為「溶質」;能溶解溶質的成分 例如水,稱為「溶劑」;溶質溶解在溶劑之中就成了「溶 液」。其實溶劑不限於水,許多有機液體譬如酒精、丙酮、

苯、甲醇等等都是很好的溶劑,在工業上有很大的用途。

溶質也不限於固體,像汽水中就溶有二氧化碳氣體,食用 醋裡溶有液體的醋酸,酒也是水與酒精的混合液。

溶液「凝固點下降」的性質

溶液的性質與純溶劑有那些不同呢?就拿鹽水與清水來作比較,當然鹽水嘗起來有些鹹味而 清水則無,除此之外還有許多不同點。先談談在日常生活中會遇到的例子,溶液有一個重要 的性質是它的凝固點要比純溶劑為低,清水在攝氏零度時會凝結成冰,而要溶液凝固就需要 較低的溫度。所以,在冰箱的冷凍庫裡,紅豆湯就要比白開水難凝固。溶液的凝固點到底會 下降多少呢?要看鹽水的濃度而定,水中加的鹽越多,凝固點就越低。在兩公升的水中加上 50 克的鹽,這樣濃度的鹽水凝固點大約是攝氏零下 1.8 度。工業上常用的一些有機溶劑的凝 固點下降效應比水顯著得多,比如說環己烷的凝固點下降效應大約是水的11 倍。

在雪地行駛的警車裡的警察往外扔的東西正是鹽粒,目的是要維護交通安全。剛剛落地的雪 很蓬鬆,就像刨冰一樣,人走在上面或汽車壓在上面不會打滑。太陽出來一曬,就把積雪融 成水了,照講應該會從馬路邊緣的排水口排走的,但如果降的雪過多或是排水口被積雪堵住,

而沒有把融化的雪水排光,到了太陽下山後氣溫驟降到攝氏零下,沒排走的雪水就凝成一大 塊結實的冰塊,表面非常滑,人走會摔跤,車行會打滑,容易造成事故。警察把鹽粒扔到雪 中,當雪融化後就把鹽溶成了鹽水,凝固點就會下降,要更低的溫度才會凝結成冰,就可以 在太陽下山後多維持一段液態的時間,多爭取一點從排水口排走的時間。警察為了交通安全 確是用心良苦,但效果好不好呢?經過簡單的計算就知道效果不會太好,因為要相當高濃度

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的鹽水才有較顯著的凝固點下降效應。所以警察僅僅扔撒幾袋鹽在廣大的積雪區域上,可說 是杯水車薪沒甚麼效的。這個方法只能用在交通要衝的局部區域,撒下較多量的鹽,或許能 有些效果。

溶液「沸點上升」的性質

溶液的另一個性質是它的沸點要比純溶劑為高,清水的沸點是攝氏100 度,而鹽水的沸點就 要比攝氏100 度高一些。到底高多少呢?要看鹽水的濃度而定,水中加的鹽越多,沸點就越 高,但升高的幅度並不大,如同前述的兩公升水中加上50 克鹽的溶液,沸點只會上升攝氏 0.5 度左右。我們會認為這區區的 0.5 度對我們生活沒甚麼影響,但是如果溶劑不是水而是工 業用的有機溶劑,比如四氯化碳,它的沸點上升效應是水的五倍,就不能等閒視之了。

在化學上,我們可以利用溶液「沸點上升」與「凝固點下降」這兩項性質來測量溶質的分子量 方法很簡便,但準確性稍差,主要原因是一般水銀溫度計測量溫度的精確度不夠高。

霜打過的白菜比較甜

有人說霜打過的白菜比較甘甜、寒帶種植的番薯糖分較高是真的嗎?從前述凝固點下降的理 論來解釋是合理的。植物體內大部分的成分是水,水在凝固時體積會膨脹十分之一,細胞膜 裡的細胞液如果凝固就會把細胞膜撐破了,所以冰箱如果溫度調得太低,蔬菜放久了就會有 凍傷發黑的現象。

植物的葉子靠著水分、二氧化碳、葉綠素、日光來進行光合作用以製造養分,這些養分會以澱 粉或葡萄糖的形態存在於植物的根莖葉中。澱粉不容易溶於水,而葡萄糖在水中極易溶解,

寒帶植物為求自保,會經由一種酵素將一部分的澱粉轉化成可以溶於水的葡萄糖,使植物體 內液體的濃度較高,就不容易凝固而繼續保持在液態,因而植物得以存活。所以,如果市場 的菜販告訴你,他賣的高麗菜是梨山或清境農場生產的,比較甜所以也比較貴,倒沒有騙你 哩!

溶液「滲透現象」的性質

滲透現象是溶液另一種非常重要的性質,這種滲透作用對於生物的生存非常重要。滲透作用 在人體的腎臟機能上扮演一個重要的角色,在血液和細胞液之間,水分和各種營養液的轉移 也要靠滲透作用來進行。植物的根也靠滲透作用來獲取植物體所需的水分。在工業用途中,

滲透作用常用在水的純化和食物的貯藏上。先來做一個小小的實驗,拿一枚雞蛋,在較尖的 那一端敲個洞,把蛋白、蛋黃倒出來,再非常小心地把蛋殼敲裂,慢慢剝離,和裡面那層薄 薄的蛋膜分開。把蛋膜用剪刀剪下約3 公分見方一小片,用線縛在一根約 20 公分長的玻璃管 的一端,將此端朝下,再把預先配好的稀糖水(大約一升水中加兩茶匙糖)倒進玻璃管中,

約5 公分高。然後把這個玻璃管浸在一個盛了清水的容器裡,同時小心地調整玻璃管的上下 位置,使管內糖水的液面和管外清水的液面高度相等。過了不久就會發覺玻璃管中的糖水液 面漸漸升高了,但升了一些後就會停止,而且保持在一定的高度。我們也發覺液面上升的高 度與糖水的濃度有關,糖水越濃,液面上升得越高。這個現象叫「滲透現象」,做實驗的蛋膜 是一種半透膜,是只能讓溶劑(水分子)通過而不讓溶質(糖分子)通過的薄膜。細胞膜是 最典型的半透膜,當然工業上用的半透膜不是用蛋膜,而是人工製造的,例如賽璐芬膜就是 常用的一種。

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自然界有一種從不平衡走向平衡的趨勢,如果半透膜兩邊的液體濃度不同,濃度較稀那一邊 的溶劑分子就會有一部分通過半透膜跑到濃度較大的那一邊,把它沖淡一點,使兩邊的濃度 接近一些。

滲透現象所產生的壓力叫滲透壓,是自然界很重要的一種輸送液體的動力。植物根部能吸收 水分並傳送到好幾公尺高的樹梢,讓樹葉行光合作用,這種能夠使水抗拒地心引力向上逆行 的動力,有一部分就是來自滲透壓。與土壤接觸的根部細胞中的細胞液遠較土壤中的水為濃,

所以土壤中的水分就會通過根部細胞的細胞膜進入根部細胞中將之稀釋,而此細胞中細胞液 的濃度又會比它旁邊那個細胞的細胞液稀薄,水分子又會通過細胞膜鑽入旁邊那個細胞之中,

如此連鎖進行,水分就一路爬升到樹梢了。前述與土壤接觸的根部細胞中的細胞液遠較土壤 中的水為濃,但是我們發覺植物在澆過水之後,根部附近的水與土壤混在一起成了黏黏稠稠 的一坨,水中溶質的濃度應該很大才對,為甚麼會遠低於細胞液的濃度呢?其實這是一個誤 會,水與固體小顆粒均勻地混在一起,看起來渾然一體,連顏色都變了,好像是這些固體小 顆粒溶解在水中了,其實並非如此。這些固體小顆粒只是懸浮散布在水中,並沒有溶解,放 置一段時間後這些固體小顆粒就會沉澱下來,上面還是非常清的水。

也是揠苗助長

有人在培育植物時也會無意間犯了類似的錯誤。比如說剛剛買了一盆漂亮的盆景,希望它長 得好,所以除了澆水之外還施了大量的肥料,心想頂多浪費一點肥料也不要緊,總比施肥不 足好吧! 但這樣一來反而把這株植物害慘了。肥料的主要成分是磷、氮、鉀等化合物,都很容 易溶在水中,如果施肥過多,會使得植物根部附近的水分變得很濃,如果濃度大到超過根部 細胞液中的濃度,則根部細胞內的水分反而要倒流到土壤中去,當然這株植物就會因缺水而 枯萎了。

逆滲透淨水器

近幾年,市面上常看到一種簡稱為 R.O.的淨水器,它的原理很簡單。前面說過,在自然狀況 下,因為滲透壓的差異,水分子會從低濃度的一邊通過半透膜到高濃度的一邊。如果我們反 其道而行,在高濃度的那一邊施一個比滲透壓還要大的反向壓力,則水分子就向低濃度(或 濃度為零)的方向流動,而得到純淨的水。這種過程稱為「逆滲透」,英文叫「reverse osmosis」,縮寫為 R.O.。當然,要在淨水器中產生反向的壓力是必須要耗費能量的,用電 能作為壓力的來源最為方便,所以 R.O.淨水器是要插電源的。家庭中利用逆滲透來淨化飲用 水是小規模的,是不是可以擴大規模應用在海水的淡化上,來解決現今全球水資源不足的問 題呢?在原理上當然毫無問題,製造這樣的機器也沒甚麼困難,但是這種方法需要相當大量 的能源,要我們在「水源」與「能源」之間做一抉擇,也是很為難的事情呢!

回答以下問題…

1.( )下列那種物質不能與水混合形成水溶液?

(A)蔗糖 (B)酒精 (C)食鹽 (D)沙拉油。

2.( )一輛警車在積雪的街道上緩緩行駛,車上有兩名警察,左邊那一位在開車,右邊那 一位不斷地從一個大紙袋中掏出一些白色的東西往車窗外扔撒,他撒的東西是?

(A)蔗糖 (B)麵粉 (C)食鹽 (D)滑石粉。

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3.( )一盆漂亮的盆景,若施了大量的肥料,可能造成的結果是?

(A)會生長的更漂亮(B)缺水而枯萎(C)不會有任何影響(D)會引發蟲害。

4.( )下列何者不是溶液所具有的性質?

(A)凝固點下降(B)沸點上升(C)(D)滲透現象。

5.( )海水淡化近來常用逆滲透法,其原理可用下列哪一個圖來表示?

6.( )逆滲透,所使用的壓力 P,與滲透壓 λ 間的最可能關係為??

(A) P >l (B) P < l (C) P = l (D) P >> l。

7.( )如右圖中,以半透膜相隔等量的 1M 食鹽水和 2M 的食鹽水,下列敘述何者錯誤?

(A)半透膜上,向右移動的水分子較向左的快。

(B)若於右側加壓使水分子向左移動,被稱為逆 滲透。。

(C)當食鹽水濃度相等時,液面不再改變。

(D)當達平衡時右側水位升高。

[參考答案]

1. D 2. C 3. B 4. C 5. B 6. A 7. C

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參考文獻

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