在開始前 我們先思考一下 什麼是平衡？ 過去我們學到許多自然現象都有著平衡的概念 例如 當兩個溫度不同的物體相互接觸後 會達到熱平衡 此時能量會由高溫的物質流向低溫的物質 直到兩者溫度相同 這樣的現象 我們稱為熱平衡 另外我們也學過 在可逆反應中 當正反應與逆反應的速率相同時 即達到化學平衡 很久以前 古人就有著平衡的概念 因此提出了陰陽五行理論 這些理論總有兩個以上的因子相互制衡 例如水火、陰陽 這單元我們要介紹溶解平衡 同學可以想一想 在溶解平衡中 會是哪些因子彼此互相制衡呢？ 首先我們複習一下 當離子化合物進入水溶液後 會發生什麼事 以熟悉的氯化鈉舉例 氯化鈉在固態時 陰陽離子會以穩定排列的方式相互吸引 當氯化鈉固體進入水中 由於水分子的高極性 會將原本藉由庫侖靜電力相互吸引的鈉離子與氯離子分開 並被水分子包覆起來 水分子中 帶有負電的氧原子吸引著鈉離子 帶有正電的氫原子則吸引著氯離子 當晶體中的離子都被水分子完全包圍住後 會發現氯化鈉固體都消失不見了 此時陰陽離子會均勻地散布在整杯溶液當中 這樣的現象我們稱為「溶解」 但如果持續加入更多的氯化鈉固體 被水分子包覆住的鈉離子與氯離子也就越來越多 而陰陽離子間相互碰撞並結合的機率也越來越高 也就是鈉離子與氯離子又有機會變回原本的固體狀態 從溶液中沉澱出來 當離子濃度高到超過水分子能夠包覆的極限時 便會再度形成固體 這樣的現象我們稱為「析出」或「結晶」 另外 鈉離子與氯離子除了會因為相互碰撞而結合成固體外 在水中不停移動的離子 也可能會因為撞到已經析出的溶質固體表面 進而發生沉澱 我們用有些枯燥但重要的科學講法來描述這兩個自然現象 溶解 指的是溶質粒子離開其表面進入溶劑中的過程 在前面的例子中 氯化鈉即是溶質 而水即為溶劑 析出或結晶 指的是溶液中的溶質粒子 在自由移動的過程中相互結合 或是撞到溶質固體表面而附著析出的過程 由定義不難發現 溶解與析出是兩種相反的自然現象 而且彼此互相抗衡 溶解時溶劑會包覆住溶質 析出時溶質又會逃離溶劑的包覆 就像前面提的平衡概念 當這兩種現象發生的速率相等時 溶液中離子濃度即會保持定值 雖然巨觀上看起來 整杯溶液沒有任何變化 但微觀上來說 溶解與析出兩種反應持續不斷進行著 達到動態平衡 這樣的現象我們稱為「溶解平衡」 接著我們開始學習如何利用數學方法 來定量這樣的化學現象 數學是一種可以用來解決科學問題的工具 在同學們學了那麼多數學知識後 現在可以來大展身手囉！ 首先介紹溶解度的定義 定溫下 飽和溶液的濃度便稱為溶解度 我們常用每 100 克溶劑可溶解的溶質質量 來表示溶解度 例如在 30 度C時 100 克的水可溶 47 克食鹽 溶解度可以表示為「47 克食鹽/100 克水」 此外 溶解度也可以用體積莫耳濃度來進行表示 也就是每一公升飽和溶液中 所溶解的溶質莫耳數 不同溶質因為性質不同 在同一溶劑中的溶解度也不盡相同 可簡單將溶質依照溶解度大小分類如下 當溶質溶解度大於10的負一次方M時 稱該溶質為可溶性溶質 溶解度介於10的負一次方與10的負四次方M時 稱為微溶性溶質 當溶質溶解度小於10的負四次方M時 則稱為難溶性溶質 在之前的影片中我們學到 可逆反應的平衡常數定義為K 對難溶性鹽類而言 我們將溶解平衡常數定義為畫面中的符號 此常數又稱為溶度積常數 那該如何表示呢？ 以畫面中這種難溶性鹽類為例 在水中會產生帶n價正電荷的A陽離子與帶m價負電荷的B陰離子 其溶解平衡反應式如畫面 其中陽離子的係數為m、陰離子的係數為n 此系統的溶解平衡常數可表示為 溶液中陽離子濃度的m次方乘上陰離子濃度的n次方 這樣的表示法與平衡常數的概念完全相同 這是因為固態難溶鹽的濃度為定值 所以不列入平衡常數表示法中 我們歸納幾種常見難溶鹽的溶度積常數表示方式 第一種類型 由畫面的反應式可看出解離後的陰 陽離子係數皆為1 其溶度積常數如畫面 常見的例子有氯化銀、硫酸鋇 第二種類型 由反應式可看出解離後的陰、陽離子係數為1、2 或2、1 其溶度積常數如畫面 常見的例子有氯化鉛、鉻酸銀及氯化亞汞 第三種類型 由反應式可看出解離後的陰、陽離子係數為1、3 或3、1 其溶度積常數如畫面 常見的例子有氫氧化鋁及磷酸銀 第四種類型 由反應式可看出解離後的陰、陽離子係數為2、3 或3、2 其溶度積常數如畫面 常見的例子有磷酸鈣 有一種比較特別的鹽類要請同學注意 那就是氯化亞汞 你可能會因為化學式 而誤以為氯化亞汞會解離出2個亞汞離子和2個氯離子 但由於2個亞汞離子喜歡結合一起 因此當氯化亞汞解離時 會形成1個帶正2價的陽離子團 以及2個氯陰離子 這邊要特別小心 同學不要寫錯喔 最後來探討溶解度與溶度積的關係 若某個離子化合物在水中溶解 其反應式如畫面 已知離子化合物的溶解度為S 由其解離後的陰、陽離子係數為n和m 可得到溶液中陽離子濃度為mS、陰離子濃度為nS 達平衡後的溶度積常數可表示如畫面所示 將陰、陽離子濃度帶入 即可得到溶度積常數與溶解度S的關係式 溶解度與溶度積常數的關係依照各類型可分別表示為畫面表格 可以發現 只要知道鹽類的溶度積常數 就可推算鹽類在水中的溶解度 這是不是很神奇呢？ 來練習一下吧！ 再考考你！ 讓我們來總結一下 回憶一下 今天溶度積常數的計算 是否又像當初學平衡常數時嚇到了你？ 再次強調數學只是一種工具 在科學上的應用才是重點 你認為溶度積可以幫助化學家理解什麼化學現象呢？ 如果多種陰離子同時存在於溶液中 是否可以利用計算知道 當滴入特定陽離子時 是哪種鹽類會先沉澱呢？ 動手查查難溶性鹽類在化學上的實例與應用 你會有意想不到的收穫唷！ 已知氯化亞汞的溶度積常數如畫面 請問氯化亞汞在水中的溶解度為多少M？ 再考考你！ 前面介紹許多有關溶解平衡的觀念 下列選項何者錯誤？ 讓我們來總結在這支影片中學到了 溶解平衡的定義 飽和溶液與其溶解度的概念 常見溶解度的兩種表示法 以及溶質依溶解度大小的分類 常見的難溶鹽類型 溶度積常數與溶解度的關係如畫面表格 回憶一下 今天溶度積常數的計算 是否又像當初學平衡常數時嚇到了你？ 再次強調數學只是一種工具 在科學上的應用才是重點 你認為溶度積可以幫助化學家理解什麼化學現象呢？ 如果多種陰離子同時存在於溶液中 是否可以利用計算知道 當滴入特定陽離子時 是哪種鹽類會先沉澱呢？ 動手查查難溶性鹽類在化學上的實例與應用 你會有意想不到的收穫唷！