浓度和溶解度：溶了多少？
你好，小科学家！每次你把糖搅进一杯茶里，你就在制造一种溶液。但你的饮品有多甜？水究竟可以溶解多少糖？在这一章，你会明白为什么物质溶解时质量不会减少，学会以 g/mL 计算浓度，并像真正的化学家一样阅读溶解度曲线图。这些技巧在实验室、厨房和考试中都很有用！
1. 复习：溶质、溶剂和溶液
溶液是由溶质溶于溶剂而成的混合物。
溶质——溶液中质量上或体积上较少的物质。
溶剂——溶液中质量上或体积上较多的物质。
例子：在盐水中，盐是溶质，水是溶剂。在 70 mL 酒精和 30 mL 水的混合物中，酒精才是溶剂，因为它的分量较多！
记忆小窍门：溶剂是“主人”（分量多），溶质是“客人”（分量少）。客人走进主人的家，大家便融为一体！
溶解速率（温度、搅拌、表面面积）会在“溶解”一章学习。这里我们集中讨论溶解了多少。
重点：\(\text{溶质} + \text{溶剂} \rightarrow \text{溶液}\)
2. 溶解过程中质量守恒
把糖搅进水里，糖好像消失了。但其实它仍然在那里——只是分散成细小得看不见的粒子。你仍然尝到甜味！过程中没有东西减少，也没有东西增加，所以溶解时质量守恒：
\(\text{溶液的质量} = \text{溶剂的质量} + \text{溶质的质量}\)
用实验验证
1. 把一个盛水的烧杯和一小碟盐一起放在电子天平上，记录总质量。
2. 把所有盐倒进水中，搅拌至完全溶解。
3. 把空碟放回天平上，放在烧杯旁边，再次记录总质量。
结果：两个读数相同，质量守恒！
为什么？从粒子角度看
溶解是一种物理变化。溶质粒子只是分散到溶剂粒子之间。过程中没有粒子被消灭或产生，所以总质量不变。
例题
问：把 20 g 糖溶于 150 g 水中，溶液的质量是多少？
答：\(150\ \text{g} + 20\ \text{g} = 170\ \text{g}\)
问：一份盐溶液的质量是 260 g，当中含 60 g 盐。溶液中有多少克水？
答：\(260\ \text{g} - 60\ \text{g} = 200\ \text{g}\)
你知道吗？质量一定可以相加，但体积却不一定！把 50 mL 水和 50 mL 酒精混合，得到的体积会略少于 100 mL，因为部分粒子会填进其他粒子之间的空隙。所以溶液的体积要测量，不可以靠估计。
重点：溶解不会改变总质量——溶质仍然存在，只是分散开了。
3. 浓度：溶液有多浓？
两杯柠檬茶的含糖量可能不同。为了公平比较，我们使用浓度，即每毫升溶液中所含溶质的质量。
\(\text{浓度 (g/mL)} = \dfrac{\text{溶质的质量 (g)}}{\text{溶液的体积 (mL)}}\)
单位 g/mL 读作“克每毫升”。浓度 0.05 g/mL 的意思是每 1 mL 溶液含有 0.05 g 溶质。
稀溶液还是浓溶液？
稀溶液在一定体积中只含少量溶质；浓溶液在相同体积中含大量溶质。这两个词是用来比较的：与 0.02 g/mL 的糖溶液相比，0.2 g/mL 的糖溶液较浓。
变得更稀：加入更多溶剂（例如加水）。
变得更浓：溶解更多溶质，或蒸发部分溶剂。
例子：100 mL 糖浆含 20 g 糖（0.2 g/mL）。加水至溶液共 200 mL。糖仍然是 20 g，所以浓度变成 \(\dfrac{20\ \text{g}}{200\ \text{mL}} = 0.1\ \text{g/mL}\)。体积加倍，浓度就减半。
计算例题
例题 1：简单计算
把 10 g 糖溶于水中，制成 200 mL 溶液。求浓度。
\(\text{浓度} = \dfrac{10\ \text{g}}{200\ \text{mL}} = 0.05\ \text{g/mL}\)
例题 2：哪一杯较甜？
A 杯：300 mL 茶中有 6 g 糖。B 杯：100 mL 茶中有 4 g 糖。
A 杯：\(\dfrac{6\ \text{g}}{300\ \text{mL}} = 0.02\ \text{g/mL}\)；B 杯：\(\dfrac{4\ \text{g}}{100\ \text{mL}} = 0.04\ \text{g/mL}\)
虽然 B 杯的糖总量较少，但它较甜！
例题 3：小心单位！
把 5 g 盐溶解，制成 0.25 L 溶液。求浓度（以 g/mL 表示）。
步骤 1：\(0.25\ \text{L} = 0.25 \times 1000\ \text{mL} = 250\ \text{mL}\)
步骤 2：\(\dfrac{5\ \text{g}}{250\ \text{mL}} = 0.02\ \text{g/mL}\)
例题 4：求溶质的质量
要配制 50 mL、浓度为 0.1 g/mL 的盐溶液，需要多少盐？
\(\text{溶质的质量} = \text{浓度} \times \text{溶液的体积} = 0.1 \times 50 = 5\ \text{g}\)
单位要留意：质量要用克（\(1\ \text{kg} = 1000\ \text{g}\)）。体积要用毫升（\(1\ \text{L} = 1000\ \text{mL}\)，\(1\ \text{cm}^3 = 1\ \text{mL}\)）。答案必须写上单位 g/mL。
常见错误：用水的体积代替溶液的体积来计算，或把分子和分母颠倒。记住：溶质在上，溶液在下。
重点：浓度告诉你溶质有多“拥挤”：溶质的质量 (g) 除以溶液的体积 (mL)。
4. 颜色和浓度
如果溶质有颜色，你往往可以“看见”浓度。溶液越浓，颜色越深（颜色强度越大）。在一杯浓缩果汁中加水，颜色会变淡，因为饮品变稀了。
活动：食用色素和颜色强度
把 10 mL、8 mL、6 mL、4 mL 和 2 mL 食用色素溶液分别放进五支相同的试管，再加水使每支试管都有 10 mL。在白纸前比较各试管的颜色。
自变量——色素的浓度
因变量——颜色强度
控制变量——相同的色素、相同的总体积、相同大小的试管、相同的光线
结果：浓度越高，颜色越深。比色计可以用数字测量颜色强度，比用肉眼判断更客观。
重点：对有颜色的溶质来说，颜色越深，代表浓度越高。
5. 溶解度：最多可以溶解多少？
不断把糖搅进一杯水中。迟早，多出来的糖只会沉在杯底——水不能再溶解更多了！
溶解度是指在特定温度下，一定分量的溶剂所能溶解的溶质最大质量。溶解度通常以“每 100 g 水可溶解的克数”表示（因为 1 mL 水的质量约为 1 g，所以这大约等于每 100 mL 水可溶解的克数）。
例子：在 20 °C 时，食盐（氯化钠）的溶解度约为每 100 g 水 36 g。即是在 20 °C 时，100 g 水最多只能溶解约 36 g 食盐。
饱和溶液和不饱和溶液
饱和溶液在该温度下不能再溶解更多溶质；多加的溶质会留在底部。不饱和溶液则仍可溶解更多溶质。
测试方法：加入少量溶质并搅拌。如果它溶解了，原本的溶液是不饱和的；如果它仍是固体，溶液就是饱和的。
用公平测试找出溶解度
用水浴把固定体积的水（例如 10 mL）加热至指定温度。每次加入少量溶质并搅拌，直至不能再溶解为止。在实验前后为溶质称重，找出溶解了的质量。然后在其他温度重复实验。温度是自变量；溶解的最大质量是因变量；溶质的种类和水的体积是控制变量。
常见错误：“搅拌可以令更多糖溶解。”不完全正确！搅拌和把溶质压碎只会令溶质溶解得更快，并不会改变最多可以溶解多少。温度则会同时改变溶解速率和溶解度。
重点：溶解度是一个最大值，而且会随温度改变。饱和溶液所含的溶质正是这个最大分量。
6. 阅读溶解度曲线图
溶解度曲线图显示溶质在不同温度（x 轴，°C）下的溶解度（y 轴，每 100 g 水可溶解的克数）。以下是两种示例盐类的简单数据：
温度 (°C)：0 | 20 | 40 | 60 | 80
盐 A：15 | 30 | 60 | 100 | 150
盐 B：35 | 36 | 37 | 37 | 38
把数据画成平滑曲线，盐 A 的曲线很陡，盐 B 的则几乎是平的。硝酸钾的情况与盐 A 相似；食盐则与盐 B 相似。
技巧 1：读出某温度下的溶解度
在 x 轴找出该温度，向上到曲线，再横向读出 y 轴上的数值。
例子：在 40 °C 时，盐 A 的溶解度是每 100 g 水 60 g。
你也可以倒过来读：从 y 轴的 100 g 横向到盐 A 的曲线，再向下读。所以在 60 °C 时，100 g 水刚好可以溶解 100 g 盐 A。
技巧 2：描述溶解度如何随温度改变
对大多数固体来说，温度上升，溶解度会增加。曲线越陡，表示溶解度受温度的影响越大；曲线平坦，表示温度的影响很小。
你知道吗？气体刚好相反：气体在温水中的溶解度较低。所以一罐暖的汽水会比冰镇的更快“跑气”。
技巧 3：计算冷却时析出的晶体质量
热的饱和溶液冷却时，溶解度下降。不能再保持溶解的溶质会以固体晶体的形式析出。
例子：在 60 °C 时，用 100 g 水制成盐 A 的饱和溶液，然后冷却至 20 °C。会析出多少克晶体？
60 °C 时已溶解：100 g。20 °C 时最多可保持溶解：30 g。
\(\text{晶体的质量} = 100\ \text{g} - 30\ \text{g} = 70\ \text{g}\)
小心：曲线图是以 100 g 水计算的。如果只有 50 g 水，答案要减半：析出 35 g 晶体。
重点：先向上，再横向读。大多数固体在较热时溶解得较多。饱和溶液冷却时会析出晶体。
重点回顾
1. 溶质（分量较少）溶于溶剂（分量较多），便形成溶液。
2. 质量守恒：溶液的质量等于溶剂的质量加上溶质的质量。
3. 以 g/mL 表示的浓度，等于溶质的质量 (g) 除以溶液的体积 (mL)。先检查单位！
4. 加水会令溶液变稀；有颜色的溶液，颜色越深代表越浓。
5. 溶解度是在特定温度下，一定分量的溶剂所能溶解的溶质最大质量。饱和溶液不能再溶解更多溶质。
6. 阅读溶解度曲线图时，先向上再横向。大多数固体在较热时溶解度较高，饱和溶液冷却时会析出晶体。
做得好！下次搅拌饮品时，试试像化学家一样思考吧。继续努力！