某些乳濁液難透過(guò)濾紙的原因探析

吳孫富

摘要：通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析說(shuō)明了難溶于水的液態(tài)物質(zhì)能透過(guò)干濾紙、不能透過(guò)濕濾紙的原因，其形成的乳濁液透過(guò)濕濾紙的條件是減壓過(guò)濾；同時(shí)還分析說(shuō)明了苯酚乳濁液能透過(guò)濕濾紙的原因，以及某些難溶于水的液態(tài)物質(zhì)不能透過(guò)濕濾紙的實(shí)驗(yàn)在中學(xué)教學(xué)中的意義。

關(guān)鍵詞：乳濁液；濾紙；減壓過(guò)濾；化學(xué)教學(xué)

文章編號(hào)：1005–6629（2015）2–0089–02 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問(wèn)題的提出

筆者一直想當(dāng)然地認(rèn)為，小分子物質(zhì)分散在水中形成的乳濁液可以全部透過(guò)濾紙，如四氯化碳乳濁液、苯乳濁液等都能透過(guò)濾紙。筆者之所以這樣認(rèn)為，是由于乳濁液中的分散質(zhì)本身是液態(tài)物質(zhì)，液態(tài)物質(zhì)一般都能夠透過(guò)濾紙。

讀罷夏立先、吳思杰兩位老師的論文“有水形成的乳濁液能用過(guò)濾法分離嗎”[1]，筆者才知道苯、煤油、甲苯、四氯化碳、乙酸乙酯等難溶于水的液態(tài)物質(zhì)能透過(guò)干燥的濾紙，卻不能透過(guò)用水濕潤(rùn)的濾紙。由于難溶于水的液態(tài)物質(zhì)不能透過(guò)濕濾紙，是否可以用過(guò)濾的方法分離難溶于水的液態(tài)物質(zhì)形成的乳濁液？這種過(guò)濾分離的效果似乎與分液相同。雖然在化學(xué)實(shí)驗(yàn)和化工生產(chǎn)中不一定要用過(guò)濾的方法來(lái)分離難溶于水的液態(tài)物質(zhì)形成的乳濁液，但這種過(guò)濾實(shí)驗(yàn)在操作上的簡(jiǎn)潔和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上的有趣均具有一定的教學(xué)意義。因此，弄清楚難溶于水的液態(tài)物質(zhì)不能透過(guò)濕濾紙的原因就顯得比較重要。夏立先和吳思杰兩位老師沒有說(shuō)明難溶于水的液態(tài)物質(zhì)不能透過(guò)濕濾紙的原因，筆者特在此就其原因作如下探討。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：取一根長(zhǎng)約10cm、直徑約為0.8mm（包括塑料層）的塑包銅線，將此塑包銅線圈成如下圖所示的帶把圓圈（以下簡(jiǎn)稱“銅圈”），銅圈的內(nèi)徑約為0.5cm（可略?。?。

實(shí)驗(yàn)1 用一只小燒杯取半杯自來(lái)水，用銅圈在小燒杯內(nèi)蘸水使銅圈內(nèi)形成一層水膜。用膠頭滴管小心地向水膜上滴加1滴苯，苯浮在水膜上；再向水膜上滴加一滴苯，苯穿過(guò)水膜落下。洗凈銅圈后重復(fù)實(shí)驗(yàn)，在多次實(shí)驗(yàn)中，在滴加第二滴苯時(shí)，苯都會(huì)穿過(guò)水膜落下，水膜有時(shí)破裂，有時(shí)不破裂。

改用四氯化碳重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相同。

改用無(wú)水乙醇重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。用膠頭滴管小心地向水膜上滴加1滴乙醇，乙醇溶入水膜中；再向水膜上滴加一滴乙醇，乙醇亦溶入水膜中，同時(shí)在下方會(huì)有液滴落下。洗凈銅圈后重復(fù)實(shí)驗(yàn)，在多次實(shí)驗(yàn)中，在滴加第二滴乙醇時(shí)，銅圈下方都會(huì)有液滴落下，水膜有時(shí)破裂，有時(shí)不破裂。

實(shí)驗(yàn)2 取一個(gè)布氏漏斗，在漏斗底部緊貼兩層剪裁大小合適的濾紙，用水潤(rùn)濕濾紙。將布氏漏斗安裝到抽濾瓶上，將抽濾瓶與減壓泵相連接，減壓泵連接在水龍頭上。向布氏漏斗內(nèi)加入適量的CCl4，CCl4不透過(guò)濾紙下漏。打開水龍頭用減壓泵減壓，CCl4透過(guò)濾紙下漏。

改用苯、煤油等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，苯和煤油在減壓前均不透過(guò)濾紙下漏，在減壓后均透過(guò)濾紙下漏。

3 實(shí)驗(yàn)分析

就實(shí)驗(yàn)1中的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)說(shuō)，這兩種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以說(shuō)明兩種實(shí)驗(yàn)原理：（1）銅圈上的水膜具有一定的表面張力，該水膜可以承受少量的苯、四氯化碳等物質(zhì)產(chǎn)生的壓力。當(dāng)較多的苯、四氯化碳等物質(zhì)產(chǎn)生較大的壓力時(shí)，這些物質(zhì)就會(huì)穿過(guò)水膜落下。這說(shuō)明難溶于水的物質(zhì)穿過(guò)水膜的原理是：難溶物的壓力大于水膜的表面張力時(shí)，難溶物就會(huì)使水膜穿孔而落下。（2）銅圈上的水膜可以溶入少量的可溶性物質(zhì)，如乙醇。若溶入了較多的可溶性物質(zhì)的話，液膜下方就會(huì)有溶液落下。這說(shuō)明易溶于水的物質(zhì)穿過(guò)水膜的原理是：易溶物溶于水膜導(dǎo)致液膜變厚，液膜不能承受過(guò)多的液體而使下方的液體落下。此外，水膜有時(shí)破裂、有時(shí)不破裂，說(shuō)明中間穿孔的水膜具有一定的自我修復(fù)能力。溶入乙醇的水膜的表面張力會(huì)減小，比純水水膜更容易破裂。

就筆者設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)1的意圖來(lái)說(shuō)，筆者是要說(shuō)明這樣一個(gè)問(wèn)題：濾紙本身是有孔隙的，小于濾紙孔隙的粒子都可以穿過(guò)濾紙，難溶于水的液態(tài)物質(zhì)不能透過(guò)濕潤(rùn)的濾紙是由于液態(tài)水堵住了濾紙的空隙。銅圈是一個(gè)放大了的“孔隙”，銅圈上的水膜對(duì)難溶物的透過(guò)具有一定的阻礙作用。濾紙的孔隙很小，滲入濾紙孔隙的水分子對(duì)難溶物透過(guò)的阻礙作用會(huì)更大。同時(shí)，濕濾紙緊貼在漏斗壁上，漏斗壁會(huì)對(duì)濾紙中水分子的阻礙作用提供支撐作用，這種支撐作用會(huì)強(qiáng)化濾紙中水分子的阻礙作用。總的來(lái)說(shuō)，筆者認(rèn)為實(shí)驗(yàn)1達(dá)成了筆者的設(shè)計(jì)意圖。

受實(shí)驗(yàn)1中苯和四氯化碳“穿過(guò)”或“不穿過(guò)”銅圈上水膜的啟發(fā)，筆者設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)2。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)2的目的是要說(shuō)明這樣一個(gè)問(wèn)題：若有足夠的外力減弱或破壞濾紙中水分子的阻礙作用的話，難溶于水的液態(tài)物質(zhì)就能夠透過(guò)濕濾紙。實(shí)驗(yàn)2中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象證明了筆者的這個(gè)設(shè)想，減壓時(shí)，堵塞在濾紙孔隙中的水分子被向下抽出，難溶于水的液態(tài)物質(zhì)就可以通過(guò)濾紙孔隙下漏了?？梢栽O(shè)想，如果能設(shè)計(jì)一個(gè)裝置在漏斗的上方給漏斗內(nèi)的液體適當(dāng)加壓的話，難溶于水的液態(tài)物質(zhì)也能透過(guò)濕潤(rùn)的濾紙下漏。

在此，筆者還要對(duì)“有水形成的乳濁液能用過(guò)濾法分離嗎”一文中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作一下理論上的說(shuō)明。在“有水形成的乳濁液能用過(guò)濾法分離嗎”一文中，苯、煤油、甲苯、四氯化碳等物質(zhì)與水形成的乳濁液只有水能透過(guò)濕濾紙，但苯酚與水形成的乳濁液能全部透過(guò)濾紙。苯酚與水形成的乳濁液能全部透過(guò)濾紙，主要決定于苯酚[2]的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。苯酚是一種含有羥基的有機(jī)物，這種結(jié)構(gòu)決定了苯酚具有較強(qiáng)的親水性，也決定了苯酚與含有羥基的濾紙纖維具有較強(qiáng)的親和性。純凈的苯酚是無(wú)色晶體（熔點(diǎn)43℃），屬于可溶性物質(zhì)（室溫下的溶解度為9.3g），不是難溶物質(zhì)。將足量的苯酚晶體加入適量的水中充分振蕩后靜置，可以明顯地看到上下層的水溶液和油溶液，但在短時(shí)間內(nèi)難以見到水溶液和油溶液的明顯分界線（這是在日常實(shí)驗(yàn)中常見到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象）。其水溶液層是苯酚溶解于水形成的飽和溶液，其油溶液層可理解為少量的水溶解于苯酚形成的飽和溶液。水溶層和油溶層之間難以在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)明顯的分界線，是由于二相之間的親和性所致，那些小油滴難以迅速脫離水溶液。由于苯酚與水、濾紙均有較強(qiáng)的親和性，苯酚溶液的水溶層和油溶層之間也有較強(qiáng)的親和性，所以苯酚溶液的油溶層很容易滲進(jìn)含水的濕濾紙孔隙進(jìn)而在常壓下穿過(guò)濾紙下漏。苯、煤油、甲苯、四氯化碳等物質(zhì)都不具備此結(jié)構(gòu)和性質(zhì)特點(diǎn)，所以它們不能在常壓下穿過(guò)濕潤(rùn)的濾紙孔隙而下漏。

4 結(jié)論

苯、煤油、甲苯、四氯化碳、乙酸乙酯等難溶于水的液態(tài)物質(zhì)不能透過(guò)用水濕潤(rùn)的濾紙，是由于水堵住了濾紙孔隙。苯酚形成的乳濁液能夠順利透過(guò)濾紙，是由于苯酚與水、濾紙均有較強(qiáng)的親和性。

5 教學(xué)意義

苯、煤油等物質(zhì)不能透過(guò)濕濾紙的實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有出人意料的新奇感，有助于學(xué)生從分子層次上加深對(duì)過(guò)濾的理解和認(rèn)知，是中學(xué)階段開展探究性教學(xué)和趣味實(shí)驗(yàn)的優(yōu)質(zhì)素材。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏立先，吳思杰.有水形成的乳濁液能用過(guò)濾法分離嗎[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2014，（3）：40.

[2]人民教育出版社等單位編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：人民教育出版社，2007.