溶液与混合物 — AP 化学
1. 混合物与溶液的分类 ★☆☆☆☆ ⏱ 3 min
混合物是两种或多种纯物质的物理组合，组分之间不会形成共价或离子化学键，但会产生新的分子间相互作用。在AP化学中，混合物分为两大类：非均相混合物（组成不均匀，存在明显可见相）和均相混合物（分子层面组成均匀），均相混合物也称为溶液。
与纯物质不同，溶液的组成可以变化，因此浓度计算是本主题核心且反复出现的技能。本子主题占AP化学考试总分的3-5%，属于占总分18-22%的第3单元，会在选择题和自由作答题部分都出现。
2. 浓度单位与相互换算 ★★☆☆☆ ⏱ 5 min
浓度描述了溶解在溶剂（溶液的主要组分）中的溶质（溶液的次要组分）的相对含量。AP化学要求掌握五种常见浓度单位：
- **质量分数**：溶质质量与溶液总质量的比值，乘以100
- **摩尔分数**：某一组分的物质的量与溶液所有组分总物质的量的比值
- **摩尔浓度 ($M$)：每升*总溶液*中所含溶质的物质的量
- **质量摩尔浓度 ($m$)：每千克*纯溶剂*中所含溶质的物质的量
- **ppm/ppb**：用于溶质含量极低的极稀溶液
\% \text{ mass} = \frac{m_{\text{solute}}}{m_{\text{solution}}} \times 100\% = \frac{m_{\text{solute}}}{m_{\text{solute}} + m_{\text{solvent}}} \times 100\%
\chi_A = \frac{n_A}{n_{\text{total}}}
任何溶液中所有摩尔分数之和等于1，且摩尔分数不随温度变化。
M = \frac{n_{\text{solute}}}{V_{\text{solution (L)}}}
摩尔浓度随温度变化，因为液体体积会随温度改变而膨胀或收缩。
m = \frac{n_{\text{solute}}}{m_{\text{solvent (kg)}}}
质量摩尔浓度不随温度变化，因此是发生温度变化的依数性计算的首选单位。
\text{ppm} = \frac{m_{\text{solute}}}{m_{\text{solution}}} \times 10^6 \\ \text{ppb} = \frac{m_{\text{solute}}}{m_{\text{solution}}} \times 10^9
Exam tip: 开始计算时，一定要明确标注你使用的是溶剂质量还是溶液总质量，避免常见错误
3. 溶液形成的能量变化 ★★★☆☆ ⏱ 3 min
溶液形成分为三个不同步骤，每个步骤基于分子间吸引力的断裂和形成，都有特征焓变：
- 步骤1：分离溶质粒子，克服溶质-溶质分子间吸引力：$\Delta H_1 > 0$（始终为吸热，分离相互吸引的粒子需要能量）
- 步骤2：分离溶剂粒子，为溶质腾出空间，克服溶剂-溶剂分子间吸引力：$\Delta H_2 > 0$（也始终为吸热）
- 步骤3：混合溶质和溶剂粒子，形成新的溶质-溶剂分子间吸引力：$\Delta H_3 < 0$（始终为放热，新吸引力形成时会释放能量）
\Delta H_{\text{soln}} = \Delta H_1 + \Delta H_2 + \Delta H_3
如果放热过程$\Delta H_3$的绝对值大于$\Delta H_1 + \Delta H_2$之和，$\Delta H_{\text{soln}}$为负（放热，释放热量）。如果$\Delta H_1 + \Delta H_2 > |\Delta H_3|$，$\Delta H_{\text{soln}}$为正（吸热，吸收热量）。“相似相溶”规则直接来源于这一关系。
Exam tip: 破坏任何吸引力（分子间或共价/离子键）都是吸热过程
4. 影响溶解度的因素与亨利定律 ★★★☆☆ ⏱ 3 min
溶解度是在一定温度和压力下，溶质能够溶解在溶剂中的最大浓度。影响溶解度的关键因素有压力、温度和分子间相互作用：
- **压力**：仅影响液体溶剂中气体溶质的溶解度。溶液上方气体的分压越高，溶解度越大。
- **温度**：对于液体中的固体溶质，溶解度通常随温度升高而增大（根据勒夏特列原理，大多数溶解过程是吸热的）。对于液体中的气体溶质，溶解度*始终*随温度升高而减小。
- **分子间相互作用**：当溶质-溶剂分子间作用力与溶质-溶质、溶剂-溶剂作用力强度相似时，溶解度最高（即“相似相溶”规则）。
C = kP
这就是亨利定律，其中$C$是气体的摩尔溶解度，$k$是亨利定律常数（特定于气体-溶剂对和温度），$P$是溶液上方气体的分压。
Exam tip: 自由作答题要求对溶解度趋势给出机理解释，而不只是给出规则
Common Pitfalls
Why: 学生会混淆质量摩尔浓度（用溶剂质量）、摩尔浓度（用溶液总体积）和质量分数（用溶液总质量），因此默认代入错误数值。
Why: 学生记错了“断键是放热”，错误地将这个结论推广到破坏溶质或溶剂粒子之间的分子间吸引力的过程。
Why: 学生将亨利定律与溶解度关联起来，因此当提到压力时，会对任何溶质都使用它。
Why: 通用规则让学生认为这永远正确，忽略了溶解过程为放热的例外情况。
Why: 对于极稀水溶液，溶剂质量≈溶液质量，因此学生在稀溶液问题中这样做不会出错，然后将这个错误带到浓度更高的溶液问题中。