濃度和溶解度：溶了多少？
你好，小科學家！每次你把糖攪進一杯茶裏，你就在製造一種溶液。但你的飲品有多甜？水究竟可以溶解多少糖？在這一章，你會明白為甚麼物質溶解時質量不會減少，學會以 g/mL 計算濃度，並像真正的化學家一樣閱讀溶解度曲線圖。這些技巧在實驗室、廚房和考試中都很有用！
1. 重溫：溶質、溶劑和溶液
溶液是由溶質溶於溶劑而成的混合物。
溶質——溶液中質量上或體積上較少的物質。
溶劑——溶液中質量上或體積上較多的物質。
例子：在鹽水中，鹽是溶質，水是溶劑。在 70 mL 酒精和 30 mL 水的混合物中，酒精才是溶劑，因為它的份量較多！
記憶小貼士：溶劑是「主人」（份量多），溶質是「客人」（份量少）。客人走進主人的家，大家便融為一體！
溶解速率（溫度、攪拌、表面面積）會在「溶解」一章學習。這裏我們集中討論溶解了多少。
重點：\(\text{溶質} + \text{溶劑} \rightarrow \text{溶液}\)
2. 溶解過程中質量守恆
把糖攪進水裏，糖好像消失了。但其實它仍然在那裏——只是分散成細小得看不見的粒子。你仍然嚐到甜味！過程中沒有東西減少，也沒有東西增加，所以溶解時質量守恆：
\(\text{溶液的質量} = \text{溶劑的質量} + \text{溶質的質量}\)
用實驗驗證
1. 把一個盛水的燒杯和一小碟鹽一起放在電子天平上，記錄總質量。
2. 把所有鹽倒進水中，攪拌至完全溶解。
3. 把空碟放回天平上，放在燒杯旁邊，再次記錄總質量。
結果：兩個讀數相同，質量守恆！
為甚麼？從粒子角度看
溶解是一種物理變化。溶質粒子只是分散到溶劑粒子之間。過程中沒有粒子被消滅或產生，所以總質量不變。
例題
問：把 20 g 糖溶於 150 g 水中，溶液的質量是多少？
答：\(150\ \text{g} + 20\ \text{g} = 170\ \text{g}\)
問：一份鹽溶液的質量是 260 g，當中含 60 g 鹽。溶液中有多少克水？
答：\(260\ \text{g} - 60\ \text{g} = 200\ \text{g}\)
你知道嗎？質量一定可以相加，但體積卻不一定！把 50 mL 水和 50 mL 酒精混合，得到的體積會略少於 100 mL，因為部分粒子會填進其他粒子之間的空隙。所以溶液的體積要量度，不可以靠估計。
重點：溶解不會改變總質量——溶質仍然存在，只是分散開了。
3. 濃度：溶液有多濃？
兩杯檸檬茶的含糖量可能不同。為了公平比較，我們使用濃度，即每毫升溶液中所含溶質的質量。
\(\text{濃度 (g/mL)} = \dfrac{\text{溶質的質量 (g)}}{\text{溶液的體積 (mL)}}\)
單位 g/mL 讀作「克每毫升」。濃度 0.05 g/mL 的意思是每 1 mL 溶液含有 0.05 g 溶質。
稀溶液還是濃溶液？
稀溶液在一定體積中只含少量溶質；濃溶液在相同體積中含大量溶質。這兩個詞是用來比較的：與 0.02 g/mL 的糖溶液相比，0.2 g/mL 的糖溶液較濃。
變得更稀：加入更多溶劑（例如加水）。
變得更濃：溶解更多溶質，或蒸發部分溶劑。
例子：100 mL 糖漿含 20 g 糖（0.2 g/mL）。加水至溶液共 200 mL。糖仍然是 20 g，所以濃度變成 \(\dfrac{20\ \text{g}}{200\ \text{mL}} = 0.1\ \text{g/mL}\)。體積加倍，濃度就減半。
計算例題
例題 1：簡單計算
把 10 g 糖溶於水中，製成 200 mL 溶液。求濃度。
\(\text{濃度} = \dfrac{10\ \text{g}}{200\ \text{mL}} = 0.05\ \text{g/mL}\)
例題 2：哪一杯較甜？
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：\(\dfrac{4\ \text{g}}{100\ \text{mL}} = 0.04\ \text{g/mL}\)
雖然 B 杯的糖總量較少，但它較甜！
例題 3：小心單位！
把 5 g 鹽溶解，製成 0.25 L 溶液。求濃度（以 g/mL 表示）。
步驟 1：\(0.25\ \text{L} = 0.25 \times 1000\ \text{mL} = 250\ \text{mL}\)
步驟 2：\(\dfrac{5\ \text{g}}{250\ \text{mL}} = 0.02\ \text{g/mL}\)
例題 4：求溶質的質量
要配製 50 mL、濃度為 0.1 g/mL 的鹽溶液，需要多少鹽？
\(\text{溶質的質量} = \text{濃度} \times \text{溶液的體積} = 0.1 \times 50 = 5\ \text{g}\)
單位要留意：質量要用克（\(1\ \text{kg} = 1000\ \text{g}\)）。體積要用毫升（\(1\ \text{L} = 1000\ \text{mL}\)，\(1\ \text{cm}^3 = 1\ \text{mL}\)）。答案必須寫上單位 g/mL。
常見錯誤：用水的體積代替溶液的體積來計算，或把分子和分母倒轉。記住：溶質在上，溶液在下。
重點：濃度告訴你溶質有多「擠迫」：溶質的質量 (g) 除以溶液的體積 (mL)。
4. 顏色和濃度
如果溶質有顏色，你往往可以「看見」濃度。溶液越濃，顏色越深（顏色強度越大）。在一杯濃縮果汁中加水，顏色會變淡，因為飲品變稀了。
活動：食用色素和顏色強度
把 10 mL、8 mL、6 mL、4 mL 和 2 mL 食用色素溶液分別放進五支相同的試管，再加水使每支試管都有 10 mL。在白紙前比較各試管的顏色。
自變量——色素的濃度
因變量——顏色強度
控制變量——相同的色素、相同的總體積、相同大小的試管、相同的光線
結果：濃度越高，顏色越深。色度計可以用數字量度顏色強度，比用肉眼判斷更客觀。
重點：對有顏色的溶質來說，顏色越深，代表濃度越高。
5. 溶解度：最多可以溶解多少？
不斷把糖攪進一杯水中。遲早，多出來的糖只會沉在杯底——水不能再溶解更多了！
溶解度是指在特定溫度下，一定份量的溶劑所能溶解的溶質最大質量。溶解度通常以「每 100 g 水可溶解的克數」表示（因為 1 mL 水的質量約為 1 g，所以這大約等於每 100 mL 水可溶解的克數）。
例子：在 20 °C 時，食鹽（氯化鈉）的溶解度約為每 100 g 水 36 g。即是在 20 °C 時，100 g 水最多只能溶解約 36 g 食鹽。
飽和溶液和不飽和溶液
飽和溶液在該溫度下不能再溶解更多溶質；多加的溶質會留在底部。不飽和溶液則仍可溶解更多溶質。
測試方法：加入少量溶質並攪拌。如果它溶解了，原本的溶液是不飽和的；如果它仍是固體，溶液就是飽和的。
用公平測試找出溶解度
用水浴把固定體積的水（例如 10 mL）加熱至指定溫度。每次加入少量溶質並攪拌，直至不能再溶解為止。在實驗前後為溶質稱重，找出溶解了的質量。然後在其他溫度重複實驗。溫度是自變量；溶解的最大質量是因變量；溶質的種類和水的體積是控制變量。
常見錯誤：「攪拌可以令更多糖溶解。」不完全正確！攪拌和把溶質壓碎只會令溶質溶解得更快，並不會改變最多可以溶解多少。溫度則會同時改變溶解速率和溶解度。
重點：溶解度是一個最大值，而且會隨溫度改變。飽和溶液所含的溶質正是這個最大份量。
6. 閱讀溶解度曲線圖
溶解度曲線圖顯示溶質在不同溫度（x 軸，°C）下的溶解度（y 軸，每 100 g 水可溶解的克數）。以下是兩種示例鹽類的簡單數據：
溫度 (°C)：0 | 20 | 40 | 60 | 80
鹽 A：15 | 30 | 60 | 100 | 150
鹽 B：35 | 36 | 37 | 37 | 38
把數據畫成平滑曲線，鹽 A 的曲線很陡，鹽 B 的則幾乎是平的。硝酸鉀的情況與鹽 A 相似；食鹽則與鹽 B 相似。
技巧 1：讀出某溫度下的溶解度
在 x 軸找出該溫度，向上到曲線，再橫向讀出 y 軸上的數值。
例子：在 40 °C 時，鹽 A 的溶解度是每 100 g 水 60 g。
你也可以倒過來讀：從 y 軸的 100 g 橫向到鹽 A 的曲線，再向下讀。所以在 60 °C 時，100 g 水剛好可以溶解 100 g 鹽 A。
技巧 2：描述溶解度如何隨溫度改變
對大多數固體來說，溫度上升，溶解度會增加。曲線越陡，表示溶解度受溫度的影響越大；曲線平坦，表示溫度的影響很小。
你知道嗎？氣體剛好相反：氣體在溫水中的溶解度較低。所以一罐暖的汽水會比冰凍的更快「走氣」。
技巧 3：計算冷卻時析出的晶體質量
熱的飽和溶液冷卻時，溶解度下降。不能再保持溶解的溶質會以固體晶體的形式析出。
例子：在 60 °C 時，用 100 g 水製成鹽 A 的飽和溶液，然後冷卻至 20 °C。會析出多少克晶體？
60 °C 時已溶解：100 g。20 °C 時最多可保持溶解：30 g。
\(\text{晶體的質量} = 100\ \text{g} - 30\ \text{g} = 70\ \text{g}\)
小心：曲線圖是以 100 g 水計算的。如果只有 50 g 水，答案要減半：析出 35 g 晶體。
重點：先向上，再橫向讀。大多數固體在較熱時溶解得較多。飽和溶液冷卻時會析出晶體。
重點回顧
1. 溶質（份量較少）溶於溶劑（份量較多），便形成溶液。
2. 質量守恆：溶液的質量等於溶劑的質量加上溶質的質量。
3. 以 g/mL 表示的濃度，等於溶質的質量 (g) 除以溶液的體積 (mL)。先檢查單位！
4. 加水會令溶液變稀；有顏色的溶液，顏色越深代表越濃。
5. 溶解度是在特定溫度下，一定份量的溶劑所能溶解的溶質最大質量。飽和溶液不能再溶解更多溶質。
6. 閱讀溶解度曲線圖時，先向上再橫向。大多數固體在較熱時溶解度較高，飽和溶液冷卻時會析出晶體。
做得好！下次攪拌飲品時，試試像化學家一樣思考吧。繼續努力！