醫(yī)用化學(xué):第一節(jié)　溶解度

在一定條件（溫度、壓力)下，一定量的溶劑溶解溶質(zhì)達(dá)飽和時，所含溶質(zhì)的量稱為溶解度。任何一種表示濃度的單位都可用來作為溶解度的單位。因此，根據(jù)工作需要，溶解度可以有各種不同的表示法，通常用一定溫度下，100克溶劑形成飽和溶液時所溶解溶質(zhì)的質(zhì)量（單位為克)表示。

物質(zhì)溶解度的大小與很多因素有關(guān)，主要決定于溶質(zhì)和溶劑的本性以及外界的溫度和壓力。

一、 固體在液體中的溶解度

溫度對固體物質(zhì)溶解度的影響，可以通過實驗繪成的溶解度曲線來表示。圖1-1是幾種固體鹽類在水中的溶解度曲線。

圖1-1　溶解度曲線

從圖1-1中可以看出，大多數(shù)固體物質(zhì)的溶解度隨溫度升高而增大。個別物質(zhì)如醋酸鈣的溶解度，隨溫度的升高反而減小。還可看到硫酸鈉的溶解度曲線，在32.4℃時出現(xiàn)了一個轉(zhuǎn)折點。這是因為32.4℃左右時，硫酸鈉的存在形式不同。在32.4℃以下，與飽和溶液呈平衡的固體是含結(jié)晶水的硫酸鈉Na₂SO₄·10H₂O,隨溫度升高溶解度增大。在32.4℃以上，與飽和溶液呈平衡的固體是無水硫酸鈉Na₂SO₄，隨溫度上升而溶解度減小。

利用在不同溫度下物質(zhì)的溶解度不同這一性質(zhì)，可以進(jìn)行物質(zhì)的提純以除去其中雜質(zhì)。在實際工作中，常將要是純的物質(zhì)先加熱溶解于適當(dāng)?shù)娜軇┲校�使其成為飽和或接近飽和溶液，趁熱濾去不溶性雜質(zhì)，然后將溶液冷卻，這時因物質(zhì)的溶解度減小，勢必從溶液中析出結(jié)晶，而可溶性雜質(zhì)由于含量少，遠(yuǎn)未達(dá)到飽和而留在母液中。最后過濾，使析出的結(jié)晶與母液分離而得到較純物質(zhì)。這種操作稱為重結(jié)晶。

值得注意的是有些物質(zhì)在溫度降低時，溶液中所含溶質(zhì)的量雖超過了該溫度下飽和溶液所含溶質(zhì)的量，溶質(zhì)也不析出，這種溶液稱為過飽和溶液。過飽和溶液是不穩(wěn)定的體系，稍一振蕩或投入一小顆粒結(jié)晶，多余的溶質(zhì)立即從溶液中析出而成為飽和溶液。

二、氣體在液體中的溶解度

氣體的溶解平衡是指在密閉容器中，溶解在液體中的氣體分子與液體上面的氣體分子保持平衡。溶解達(dá)平衡時，氣體在液體中的濃度就是氣體的溶解度。通常用1體積液體中所能溶解氣體的體積表示。表1-1是一些氣體在水中的溶解度。

表1－1　一些氣體在水中的溶解度

從表1-1中可以明顯地看出，溫度升高，氣體的溶解度減小。也可以看出，不同的氣體在水中的溶解度相差很大，這與氣體及溶劑的本性有關(guān)。H₂，O₂，N₂等氣體在水中的溶解度較小，因為這些氣體在溶解過程中不與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，稱為物理溶解。而CO₂，HCL，NH₃等氣體在水中的溶解度較大，因為這些氣體在溶解過程中與水發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，稱為化學(xué)溶解。

氣體在液體中的溶解，除與氣體的本性、溫度有關(guān)外，壓力對氣體的溶解度的影響也比較大。壓力和分壓的單位是帕（或帕斯卡，符號Pa)，通常用千帕（符號kPa)表示。101.325kPa(或101325Pa)相當(dāng)于過去1atm（1大氣壓)，133.32Pa相當(dāng)于1mmHg，作為非國際單位制的atm和mmHg本書不再使用。

（一)分壓定律

混合氣體的總壓力等于各組分氣體分壓力之和。這一定律稱為分壓定律。這種關(guān)系可用數(shù)學(xué)式表示。

p=p₁+p₂+p₃+…

式中，p是混合氣體的總壓力，p1,p2,p3等是各組分氣體的分壓力。

混合氣體中每一種氣體的分壓力，可由總壓力和該氣體在混合氣體中所占的體積百分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)的乘積來計算：

p₁=p×(%V₁)

或　p₁=p×x₁

式中，p為氣體總壓力，%V1為氣體1的體積百分?jǐn)?shù)，x₁為氣體1的摩爾分?jǐn)?shù)。

例1　人的肺泡氣總壓力為101.325kPa，37℃時，它的組成用體積百分?jǐn)?shù)表示分別為：O₂為13.4%，CO₂為5.3%，N₂為75%，H₂O（蒸汽)為6.3%，試求各氣體在肺泡中的分壓。

解：p_o2=101.325kPa×13.4%=13.6kPa

p_CO2=101.325kPa×5.3%=5.4kPa

p_N2=101.325kPa×75%=76.0kPa

p_H2O=101.325kPa×6.3%=6.4kPa

(二)亨利定律

1803年亨利（Henry)從實驗中總結(jié)出一條規(guī)律，其內(nèi)容是：“在一定溫度下，氣體溶解達(dá)到平衡時，氣體在液體中的溶解度和氣相中該氣體的分壓成正比�！边@一規(guī)律稱為亨利定律�？捎脭�(shù)學(xué)式表示：

c=Kp　(1-1)

式中，c為氣體在液體中溶解度，一般是指1kg水中溶解氣體的質(zhì)量（克)；p為液面上氣體的平衡分壓；K為常數(shù)，是該氣-液體系的特征常數(shù)。

必須注意，亨利定律只適用于壓力不大（一般為202.3～303.9kPa)和溶解度很小的氣體。溫度越高或壓力越低，在稀溶液中應(yīng)用亨利定律能得到較準(zhǔn)確的結(jié)果。另外，亨利定律只適用于不與溶劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氣體，即溶質(zhì)在氣相和液相中的分子狀態(tài)必須是相同的。

例2　在0℃，平衡壓力為303.9kPa。氧氣的溶解度為0.2085g/1000g水。求在同溫度、平衡壓力為202.6kPa下氧氣的溶解度。

解:由式(1-1)先求K值:

K=c/p=0.2085/303.9=0.000686(g/1000g水•kPa)

對于一定氣體和溶劑,在一定溫度下,K是一個常數(shù),與氣體的壓力無關(guān).在平衡壓力為202.6kPa時，將K值代入式（1-1)，則得在水中溶解度為：

c=Kp=0.000686×202.6=0.139(g/1000g水)

亨利定律在醫(yī)學(xué)上有許多應(yīng)用實例。例如，使用麻醉氣體時，氣體的分壓越大，則它在血液中的溶解度就越大。高壓氧氣艙的壓力為202.6-253.25kPa,比常壓為大,因此溶于病人血液的氧氣就越多.利用亨利定律還可以解釋人在呼吸過程中O2和CO2的交換等。

（三)氣體吸收系數(shù)

由于氣體的體積比質(zhì)量容易測定，所以氣體的溶解度以溶解氣體的體積表示比較方便。為了表示各種氣體在不同溫度和分壓下的溶解度，規(guī)定將不同狀態(tài)下所溶解氣體的體積，均換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積數(shù)。

氣體吸收系數(shù)（a)是指在一定溫度下，1體積的液體在該氣體分壓為101.3kPa下,所能溶解氣體的體積.氣體體積如果不是標(biāo)準(zhǔn)狀況(0℃,101.3kPa),一般要換算為標(biāo)準(zhǔn)狀況.如在20℃和氫氣分壓為101.3kPa下,1L水能溶解氫氣0.0195L.根據(jù)查理(Charles J.A.C.)定律可將其換算為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積:

0.0195L×273K/(273+20)K=0.0182(L)

0.0182即是在20℃時，101.3kPa下,氫氣在水中的吸收系數(shù)。

與醫(yī)學(xué)有關(guān)的氣體在水和血漿中的吸收系數(shù)列于表1-2。

表1-2　37℃時氣體在水和血漿中的吸收系數(shù)

從表1-2可以看出,當(dāng)水中含有其他雜質(zhì)時,氣體的溶解度減少,尤其是有鹽類存在時.由于鹽類離子與水分子形成水合離子,這時影響則更大.血漿中含有鹽類和蛋白質(zhì)等,故氣體在血漿中的溶解度比在水中要小.

利用表1-2的吸收系數(shù),根據(jù)肺泡中O₂,CO₂,N₂的分壓,就能算出它們?nèi)芙庠谘獫{中的體積百分?jǐn)?shù).

已知肺泡氣體中Po₂=13.6kPa,Pco₂=5.3kPa.P_N2=76.0kPa.因此,100mL血漿中所溶解的三種氣體的體積百分?jǐn)?shù)為：

O₂%=0.0214×13.6/101.3×100=0.287(mL/100mL血漿)

CO₂%=0.515×5.3/101.3×100=2.69(mL/100mL血漿)

N₂%=0.0118×76/101.3×100=0.885(mL/100mL血漿)

三、液體在液體中的溶解度

一種液體在另一種液體中的溶解有三種情況：第一種是兩種液體完全互溶，如乙醇與水、甘油與水等。第二種是兩種液體部分互溶，如乙醚與水等。第三種是兩種液體完全不溶，如苯與水、四氯化碳與水jfsoft.net.cn/shouyi/等。

將兩種互不混溶的液體放在同一容器中，就會分成兩相，密度大的一相的在下層，密度小的一相在上層。在一定溫度下，一種溶質(zhì)在相互接觸的兩種互不混溶的溶劑中，溶解達(dá)平衡時，溶質(zhì)在兩相中的濃度比是一個常數(shù)，這一定律稱為分配定律。可表示如下式：

CA/CB=K　(1-2)

式中CA、CB分別表示溶質(zhì)在溶劑A、B中的濃度；常數(shù)K稱為分配系數(shù)，它與溶質(zhì)和溶劑的本性、溫度及壓力有關(guān)。

例如，將水和四氯化碳放在一起，加入少量碘，碘微溶于水、溶于四氯化碳。

在這兩種液體中的溶解度差別很大。當(dāng)溫度一定時，水中碘的濃度與四氯化碳中碘的濃度比是一個常數(shù)。表1-3是碘在四氯化碳和水中分配情況。

根據(jù)分配定律的原理，利用同一溶質(zhì)在互不混溶的兩種溶劑中溶解度的差別，可以選取適當(dāng)溶劑，從另一溶液中將溶質(zhì)提取出來。這個過程稱為萃取。

萃取是一種有效的提純、分離技術(shù)。為了充分使用一定量的萃取劑以提高萃取效率，采取每次少量，多次萃取的方法，要比一次用完萃取的效果好得多。反復(fù)多次萃取，萃取就可接近完全。