對(duì)常壓過(guò)濾教學(xué)的若干補(bǔ)遺

周文元

摘要：從漏斗和濾紙的選擇、過(guò)濾器的制作以及玻璃棒的放置等四個(gè)方面對(duì)中學(xué)階段常壓過(guò)濾的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了補(bǔ)充說(shuō)明。提出應(yīng)規(guī)范和統(tǒng)一中學(xué)和高校教材中標(biāo)準(zhǔn)型漏斗的配圖；四折法折疊濾紙，第一次折疊時(shí)錯(cuò)開(kāi)折疊更科學(xué)；依據(jù)國(guó)內(nèi)高校和日本的實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)對(duì)濾紙的放置方法對(duì)過(guò)濾速度的影響進(jìn)行了實(shí)證研究。實(shí)驗(yàn)證明：使用頸口直徑3～5mm的漏斗可有效提高過(guò)濾速度；若使用頸口直徑8～10mm的漏斗時(shí)，需將濾紙錐角做大，保證錐體上部緊貼內(nèi)壁不留氣泡，即可有效提高過(guò)濾速度。

關(guān)鍵詞：常壓過(guò)濾；過(guò)濾操作；玻璃漏斗；濾紙折法

文章編號(hào)：1005–6629（2016）3–0067–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

近期，在一次觀摩活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)了一系列關(guān)于常壓過(guò)濾教學(xué)中的問(wèn)題：部分教師對(duì)過(guò)濾操作的認(rèn)識(shí)上存在疏漏；學(xué)生將“一貼、二低、三靠”奉為“圣經(jīng)”，雖爛熟于心卻操作不當(dāng)；部分學(xué)生按圖索驥，過(guò)濾耗時(shí)太長(zhǎng)；課堂習(xí)題盲目拓展，不符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者補(bǔ)充四點(diǎn)關(guān)于常壓過(guò)濾實(shí)驗(yàn)教學(xué)的說(shuō)明，以增加教師的備課素材，為課堂教學(xué)和習(xí)題的命制提供一定的文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)支持，為學(xué)生深入學(xué)習(xí)過(guò)濾操作奠定理論基礎(chǔ)。

過(guò)濾操作使用的漏斗有標(biāo)準(zhǔn)型漏斗（也稱短頸漏斗）、長(zhǎng)頸漏斗（有別于氣體制備中傾注液體用的“長(zhǎng)頸漏斗”）、褶壁漏斗（內(nèi)壁呈瓦楞型）和無(wú)頸漏斗四種（見(jiàn)圖1：a～d）。

標(biāo)準(zhǔn)型漏斗的規(guī)格按漏斗口內(nèi)徑劃分為3cm、4cm、6cm、8cm、10cm、12cm等，過(guò)濾時(shí)應(yīng)根據(jù)物料多少和濾紙大小選擇合適的漏斗。目前，大部分中學(xué)都配備的是內(nèi)徑為6cm，錐體角度約60°，頸長(zhǎng)4.5～7cm，頸口直徑3～5mm的標(biāo)準(zhǔn)型漏斗作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)之用。也有一部分內(nèi)徑在10cm以上，頸長(zhǎng)8.5～10cm，頸口直徑7～8mm的“大號(hào)”標(biāo)準(zhǔn)型漏斗，很多教師都習(xí)慣用其作課堂演示，但這種漏斗應(yīng)選擇直徑在15cm以上的圓形濾紙，無(wú)形中增加了學(xué)校的采購(gòu)成本。另外，由于頸口直徑過(guò)大，頸內(nèi)難以形成水柱，在高校的重量分析操作中很少采用。

長(zhǎng)頸漏斗比標(biāo)準(zhǔn)型漏斗過(guò)濾速度快，這是因?yàn)檫M(jìn)入斗頸的濾液團(tuán)，由于自身的重力對(duì)濾紙上的液體形成了吸引力[1]，但是，若頸內(nèi)有空氣積存，則過(guò)濾速度減慢。

目前，大部分高校教材和參考文獻(xiàn)中常壓過(guò)濾操作的配圖均采用長(zhǎng)頸漏斗，但說(shuō)明文字中只用“漏斗”標(biāo)注[2～5]。少數(shù)高校教材配圖與中學(xué)教材配圖相同[6，7]。個(gè)別文獻(xiàn)明顯存在將長(zhǎng)頸漏斗和標(biāo)準(zhǔn)型漏斗配圖混淆的問(wèn)題[8]。通常情況下，標(biāo)準(zhǔn)型漏斗和長(zhǎng)頸漏斗均可用于常壓過(guò)濾。中學(xué)階段不作說(shuō)明則“漏斗”視作標(biāo)準(zhǔn)型漏斗，但在高校的重量分析操作中，一般用長(zhǎng)頸漏斗[9]。因此，中學(xué)生在作答“過(guò)濾需要哪些儀器”時(shí)選擇長(zhǎng)頸漏斗是正確的，即便其可能完全不理解選擇的理由。

有些物質(zhì)在水中的溶解度受溫度的影響很大，在溶液溫度降低時(shí)易析出晶體。部分初中試題中出現(xiàn)考察濾除這類溶液中所含的其他難溶性雜質(zhì)的方法。即使學(xué)生回答“趁熱過(guò)濾”，也已經(jīng)超出初中化學(xué)的范圍。熱過(guò)濾需在熱濾漏斗（如圖1：e）中進(jìn)行。過(guò)濾前，將漏斗置于銅套內(nèi)，從注水口注入熱水。若需維持一定溫度，可加熱側(cè)管。加熱時(shí)，應(yīng)注意銅套內(nèi)液面不低于側(cè)管，以免漏斗損壞。值得一提的是，熱過(guò)濾不可使用長(zhǎng)頸漏斗，以免濾液在頸內(nèi)停留過(guò)久，散熱降溫，析出晶體而發(fā)生堵塞[10]。在過(guò)濾少量此類溶液時(shí)，也可將漏斗放在水浴上用水蒸氣加熱后進(jìn)行過(guò)濾（最好用減壓過(guò)濾）。蘇教版選修模塊《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》制備硫酸亞鐵銨晶體過(guò)程中，F(xiàn)eSO4溶液的趁熱過(guò)濾即用到上述方法。

我國(guó)生產(chǎn)的纖維素濾紙分為定性濾紙和定量濾紙。定性濾紙過(guò)濾后有較多棉質(zhì)纖維生成，僅在一般的定性分析和過(guò)濾操作中使用，不用于重量分析。定量濾紙經(jīng)過(guò)鹽酸和氫氟酸處理，紙纖維中大部分雜質(zhì)已除去，灼燒后殘留灰分很少，用于精密的重量分析。中學(xué)階段幾乎不涉及重量分析實(shí)驗(yàn)，故只以定性濾紙為例作討論。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《化學(xué)分析濾紙》（GB/T1914-93）對(duì)定性濾紙產(chǎn)品的分類、型號(hào)和技術(shù)指標(biāo)以及試驗(yàn)方法都有規(guī)定。濾紙按產(chǎn)品質(zhì)量分為A、B、C三級(jí)，其中，A級(jí)品主要指標(biāo)如表1所示。選擇濾紙一方面從沉淀的類型著手，有時(shí)還應(yīng)考慮溶液的性質(zhì)。如：濃ZnCl2溶液可腐蝕纖維素，故此不可用纖維素濾紙過(guò)濾。另一方面，根據(jù)沉淀體積和漏斗大小選擇合適直徑的圓形濾紙。沉淀體積不應(yīng)超過(guò)漏斗容積的一半，呈V形沉積于濾紙錐體下方，上緣距離濾紙邊緣1～2cm。濾紙邊緣比漏斗邊緣低1cm左右。

過(guò)濾器的制作是過(guò)濾操作的關(guān)鍵，高校重量分析操作需要反復(fù)練習(xí)過(guò)濾器的制作。雖然我們沒(méi)有必要用高校的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)要求中學(xué)生，但是目前中學(xué)階段的過(guò)濾操作并不十分科學(xué)。筆者發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)的過(guò)濾器制作方法與日本的方法也大相徑庭。

3.1 濾紙的折法有差異

圓形濾紙的折法有四折法和菊花折法。在這里只討論四折法，即對(duì)折兩次再展開(kāi)，一邊一層，一邊三層的折法。由于重疊孔毛細(xì)管作用，沉淀能被吸到濾紙的上方，有時(shí)也會(huì)流到濾紙和漏斗之間。為了防止這點(diǎn)，日本的實(shí)驗(yàn)教材明確說(shuō)明濾紙第一次對(duì)折時(shí)稍微“錯(cuò)開(kāi)”一些折疊，把比半圓稍小的部分置于內(nèi)側(cè)。即使沉淀沿折縫上升，也可留在比半圓稍大部分之內(nèi)[12]。雖然在中學(xué)階段無(wú)需考慮沉淀的損耗，但比較而言，“錯(cuò)開(kāi)”折疊濾紙更科學(xué)。

3.2 濾紙的放置標(biāo)準(zhǔn)有差異

幾乎所有的國(guó)內(nèi)教材都指明：“濾紙和漏斗之間貼緊無(wú)氣泡，否則會(huì)影響過(guò)濾速度。[13～15]”但少數(shù)教材的說(shuō)法恰恰相反，只需要使濾紙的錐形上部與漏斗間沒(méi)有空隙[16，17]。日本的教材中甚至沒(méi)有趕去氣泡這一操作。那么，濾紙未緊貼漏斗而產(chǎn)生氣泡是否會(huì)影響過(guò)濾速度呢？筆者設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)用品

試劑：蒸餾水

儀器：鐵架臺(tái)（帶鐵圈）、燒杯、量筒、玻璃棒、標(biāo)準(zhǔn)型漏斗（漏斗口內(nèi)徑6cm、10cm）

材料：定性濾紙（中速，直徑12.5cm）

3.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)《化學(xué)分析濾紙》（GB/T1914-93）對(duì)過(guò)濾速度的計(jì)量方法：將濾紙完全浸濕，取15mL蒸餾水進(jìn)行過(guò)濾，開(kāi)始濾出3mL，不計(jì)時(shí)，然后用秒表計(jì)量濾出6mL水所需時(shí)間[18]。

實(shí)驗(yàn)一：用內(nèi)徑6cm的漏斗，保證濾紙與內(nèi)壁間無(wú)氣泡并在斗頸內(nèi)做出完整水柱，分別用三張濾紙測(cè)定過(guò)濾速度。

實(shí)驗(yàn)二：用內(nèi)徑6cm漏斗，不做出完整水柱，只保證濾紙與內(nèi)壁間無(wú)氣泡（如圖2所示），分別用三張濾紙測(cè)定過(guò)濾速度。

實(shí)驗(yàn)三：用內(nèi)徑6cm漏斗，使濾紙錐形上部緊貼內(nèi)壁，下部懸空（如圖3所示），分別用三張濾紙測(cè)定過(guò)濾速度。

由表2數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)一在斗頸內(nèi)存在完整水柱的情況下，過(guò)濾速度明顯快于實(shí)驗(yàn)二、三。實(shí)驗(yàn)二在過(guò)濾過(guò)程中，斗頸內(nèi)會(huì)出現(xiàn)圖2所示的不完整水柱，與實(shí)驗(yàn)一中完整水柱一樣起到類似抽濾的作用。實(shí)驗(yàn)三在濾紙第二次對(duì)折時(shí)，使錐角大于60°，斗頸內(nèi)無(wú)水柱且濾紙與內(nèi)壁間有大氣泡，過(guò)濾速度較實(shí)驗(yàn)一、二都要慢，但仍在可以接受的時(shí)間范圍內(nèi)。因此，在使用頸口直徑在3～5mm的漏斗時(shí)，在不預(yù)先做出完整水柱的情況下，濾液流下過(guò)程中也會(huì)形成實(shí)驗(yàn)二中的不完整水柱。即便濾紙和內(nèi)壁間有大氣泡，只要有水柱存在，過(guò)濾速度也會(huì)有一定提升。

有些學(xué)校配備的是內(nèi)徑10cm以上，頸口直徑在8～10mm的漏斗，這樣的漏斗很難形成水柱。筆者觀察到學(xué)生在用此類漏斗時(shí)，濾紙緊貼內(nèi)壁且無(wú)氣泡，但過(guò)濾速度仍然偏慢。筆者為此設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)四：用內(nèi)徑10cm的漏斗，保證濾紙和內(nèi)壁間緊貼無(wú)氣泡，分別用三張濾紙測(cè)定過(guò)濾速度。

實(shí)驗(yàn)五：用內(nèi)徑10cm的漏斗，使濾紙錐形上部緊貼內(nèi)壁，下部懸空（如圖3所示），分別用三張濾紙測(cè)定過(guò)濾速度。

如表3數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)四在濾紙與漏斗緊貼無(wú)氣泡的情況下，過(guò)濾速度慢于實(shí)驗(yàn)五。實(shí)驗(yàn)五不僅在斗頸內(nèi)沒(méi)有水柱且濾紙與內(nèi)壁間存在大氣泡，過(guò)濾速度反而有所提升。筆者分析，錐形下部不緊貼內(nèi)壁，潤(rùn)濕濾紙用的蒸餾水和濾液會(huì)在錐形下部到斗頸熔接部位間形成一段“液腔”，起到類似的抽濾作用。教師可提醒學(xué)生在使用此類漏斗時(shí)，不必拘泥于濾紙緊貼內(nèi)壁，將錐角適當(dāng)做大些，使錐形下部懸空，保證錐形上部與內(nèi)壁緊貼即可。

中學(xué)過(guò)濾操作中要求玻璃棒傾斜輕靠在三層濾紙上，若學(xué)生傾倒液體過(guò)快會(huì)造成液體流到漏斗外側(cè)。而大部分高校教材中要求玻璃棒豎直懸于三層濾紙上方（如圖4所示），并且不與濾紙接觸。雖然在傾倒液體時(shí)有少許別扭，但可以避免沉淀沾附在玻璃棒末端，為以后的重量分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定操作規(guī)范。有些教師要求學(xué)生將玻璃棒“一定”要傾斜放置，“必須”靠在三層濾紙上，著實(shí)缺乏科學(xué)依據(jù)。

由此看來(lái)，一味強(qiáng)調(diào)“一貼、二低、三靠”并不是過(guò)濾操作教學(xué)的關(guān)鍵所在，關(guān)鍵在于抓住中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)應(yīng)用性和銜接性，不要將某個(gè)實(shí)驗(yàn)操作機(jī)械、死板地“程序化”。捧著書本講課，不如躬身一試更有說(shuō)服力。中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要更多的同仁去踐行求真。

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