溶液为什么静置后不分层?从微观角度要如何解释?

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8个答案
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莫俊宏超声波无损检测员

2016-01-13 18:24

假设溶剂为煤油,溶质为染料,其溶解的微观过程如下:

当染料加入到能溶解它的煤油时,染料表面的粒子(分子或离子),由于它们本身的运动和煤油分子的吸引,就离开了染料的表面而进入溶剂中,以后由于扩散作用,这些染料粒子均匀分布到煤油的各部分。溶解了的染料粒子在煤油中不断地运动,当它们撞击着尚未溶解的染料表面时,又可能重新被吸引住,回到染料上来,这个过程叫结晶。显然,开始时结晶作用不明显,但随着染料的溶解,结晶的速度渐渐增大。

溶解现象包括溶解及结晶两个过程,即溶质粒子溶解在溶剂中,同时溶解的溶质粒子可能重新吸附到未溶解的溶质粒子。当温度一定时,溶液的浓度不再改变,结晶的速度等于溶解速度,建立了动态平衡,到达饱和状态。如果你改变溶液的温度,溶液将可能会析出溶质晶体。

这里存在一个“相似相溶经验法则”:化学结构相似的物质,彼此容易相互溶解;极性相似的物质彼此容易相互溶解。例如:水和乙醇分子都有羟基,都有极性,所以水能溶解在乙醇中,并且能以任意比例互溶。

而纯净的油和水一起混合搅拌后,得不到稳定的溶液,这是因为在这种体系的界面上不易形成稳定而坚固的吸附层。

参考资料:《渗透检测》,第2章:渗透检测的物理化学基础——2.6小节“溶解现象”

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从热力学的角度看,溶液是否分层受到熵与溶剂、溶质相互作用的控制。分层一般都是熵减的过程,热力学不利,如果同时溶剂与溶质相互作用强于溶质与溶质之间的相互作用,溶液肯定不会分层。如果溶质与溶质的相互作用更强的话,就是通常的溶剂吸热的过程,这要跟熵的贡献比一下,如果能量上干不过熵,溶液同样也不会分层。相反就会发生相分离。

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支持者: Nightenstar east_tokamak

先不说解决,就是描述这样一个问题也有很多不同的方式。不同的方式有不同的优点。

而如果以比较“机械”的方式理解,液体中分子不掉到底层变成煎饼一样的东西,原因是分子间有斥力的作用,不能靠太近。而且分子相互“碰撞”(相互靠近时被斥力推开的过程)时,也将速度相互传递

举个栗子,把分子比作武林高手,一起在天上飞,最顶上的要下落,只好在下落途中踩一下下面的高手,于是又重新向上飞了。为了保持自己的高度,每过一段时间就要踩一下下面的人

而下面的人被踩了一下,而且自己也需要维持高度,只好更“大力”地踩下面的人。于是乎越往下,大家互相践踏踩脸的力度(这种情况下速度越大,力度也越大)越大。而最底层的高手没办法,只好把踩人的需求发泄在大地上。因此大地就通过高手们的互相踩踏,成功托住了天上的所有人。

这种残忍的踩踏体系一般非常稳定,虽然有时会有高手掉下去,但几乎同时也会有其他高手踩着同行的头飞上来,此之谓动态平衡

但上述体系至少有一个隐含条件(其他的不提了,要不然跑题就太厉害了),就是各位高手的身高体重脑壳的硬度都差不多,因此是等价的。而对于分散系,比如题主说的溶液,相当于加入了一些身高体重不一样的武林高手(终于入正题了,给自己掌声)。

有些加入的武林高手体质和原来的大多数差不多,因此大家互相踩的时候没什么感觉,因此新加入的少数派和原来的高手一起快乐地互相踩踏。而根据统计规律,当少数派以比较均匀的方式飞在天空中的概率是最大的(反过来说,不均匀地分布是有可能的只不过可能性很小,比如一百忆个骰子同时掷出6)。

因此,体质差不多的武林高手加进去,然后均匀出现在各处(而非聚成一坨呈现出不和谐的图案),这大概就是“相似相溶”。反之,新来的不合群,太重之类的,就会慢慢地被排挤到地面。这时就是沉淀了。

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对于高中生来说,上面的拙劣比喻应该是说得差不多了。但在稍微专业一点的领域里,还需要考虑分子相互作用、熵变、平均场等许多不明觉厉的东西。

为了把故事编得完整一些,我就加点东西吧(课本都不知道扔哪了,如果说错了那就当作“感性认识”吧……)。

新来的高手是否被挤到下面,除了取决于自身的体质,还要看周围的环境。如果周围的高手都飞得超快,单位空间里的数目也超级多,那么新来的被托住的概率还是很大的。以宏观物理量描述,温度高对应速度快,密度高对应数目多或者高手重。因此温度高时溶解度往往比较好,而溶剂密度比较难改变(超流二氧化碳那些我不懂就不吹了)因此对密度与溶解度关系的讨论不多(也不容易做到严谨)。

为了包(bian)含(chu)更多的理论,假设高手们内功过人(但是同种高手有一样的内功),能在自己周围形成气场(微观中这样的场主要来自电磁力,就是四种基本作用力中的电磁力)。而为了简便起见,我们认为场和场之间不会互相干扰,场只影响他人。更重要的是,场是一直存在的,不会因为两个高手互相打脸而改变,因此往往会造成高手间相对位置的不变

这样的场有自己的偏好,例如A的场喜欢和B保持1米的距离(数据是瞎编的),如果两者的距离太近了,这个场就会想要推开双方,而如果太远了就会想拉拢双方。同样,B的场也会对A有类似的感觉。因此两种场的共同作用决定了双方独处时的距离。

然后一大群高手在空中飞舞的时候讨论独处就没有意义了。因此就会出现好多怪异的现象。比如有一类的高手喜欢扎堆踩人但又不会沉到下面,越扎越大终于被上帝视角的人们看到了,于是给了他们各种称呼,溶胶啊什么的。

有时候天下不止两种高手,还有第三种高手,他们散发的场有方向性,一个方向上比较喜欢A类高手,另一个方向上更喜欢B类高手。于是就充当两者间的好机油。比如洗洁精的主要成分就是一种一头向着油性分子一头向着水性分子的分子。

很多理想情况下,高手们的场相互连接形成一片,导致其它高手进入或离开这片场时需要额外的速度,因此人们描述这些场的时候就不必单独计算每个高手的场了,直接以一种均匀场来描述——我们描述青藏高原的高度时不必说出每个山峰山谷的高度,而以平均海拔代替。这种近似的平均场,常常被用来描述各种相的能量差

最后我试着扯一下熵。

分割线的上面有提到,如果新来的高手和原来的高手差不多,那么随着时间的推移,新来的总会慢慢飞到各个角落,因为这时均匀的形式是概率最大的形式。如果推广一下,“存在的形式必定是当前条件下出现概率最大的形式”(这个推广成立的条件之一,是考察的时间长于弛豫时间,想深究的可以去了解“弛豫”)。

而为了改变当前状态,改变研究对象的概率分布,需要花费能量。而熵则是特定条件下改变概率分布与所需能量的桥梁。比如,改变的是概率分布,则通过与熵有关的计算,可以求出反应所需能量。

简而言之: 存在的改变→概率的改变→熵→能量

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才疏学浅,欢迎指正

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馒头老妖有机化学博士,法学学士

2016-01-13 13:15

分层是个熵减少的过程吧,从无序变成有序,这个过程需要消耗能量。所以能不分层就尽量不分层呗。

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是问有色溶液静置不分层吗?是因为扩散作用?

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补刀手爱德华嘴上说不要,身体也很诚实的万有青年选手

2016-01-14 22:53

分子热运动足以克服分子自身重力的作用,且溶质粒子扩散之后,再次聚合需要克服一定的能垒,需要外界提供能量。而且溶质扩散到溶剂中是熵增的,要分层的话那么溶液体系的熵就要减少了,这时就要从外界引入负熵了。

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看到楼主对溶液溶解之类的比较清楚,刚好最近在学习生物化学的时候遇到些麻烦,请教一下,首先是遇到一些名词,是关于溶剂的形式,比如无定形,玻璃态等,虽然书上有解释,但是还是理解不了,可以通俗的解释一下吗?还有其他一些问题容我整理一下,再来请教,非常感谢。

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依稀记得好小的时候在有水的玻璃杯里倒了点蓝墨水,搅拌静置后还是会分层的

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