某些乳濁液難透過濾紙的原因探析

吳孫富

摘要：通過實驗分析說明了難溶于水的液態(tài)物質能透過干濾紙、不能透過濕濾紙的原因，其形成的乳濁液透過濕濾紙的條件是減壓過濾；同時還分析說明了苯酚乳濁液能透過濕濾紙的原因，以及某些難溶于水的液態(tài)物質不能透過濕濾紙的實驗在中學教學中的意義。

關鍵詞：乳濁液；濾紙；減壓過濾；化學教學

文章編號：1005–6629（2015）2–0089–02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

筆者一直想當然地認為，小分子物質分散在水中形成的乳濁液可以全部透過濾紙，如四氯化碳乳濁液、苯乳濁液等都能透過濾紙。筆者之所以這樣認為，是由于乳濁液中的分散質本身是液態(tài)物質，液態(tài)物質一般都能夠透過濾紙。

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)物質能透過干燥的濾紙，卻不能透過用水濕潤的濾紙。由于難溶于水的液態(tài)物質不能透過濕濾紙，是否可以用過濾的方法分離難溶于水的液態(tài)物質形成的乳濁液？這種過濾分離的效果似乎與分液相同。雖然在化學實驗和化工生產中不一定要用過濾的方法來分離難溶于水的液態(tài)物質形成的乳濁液，但這種過濾實驗在操作上的簡潔和實驗現(xiàn)象上的有趣均具有一定的教學意義。因此，弄清楚難溶于水的液態(tài)物質不能透過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明難溶于水的液態(tài)物質不能透過濕濾紙的原因，筆者特在此就其原因作如下探討。

2 實驗

實驗準備：取一根長約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（以下簡稱“銅圈”），銅圈的內徑約為0.5cm（可略小）。

實驗1 用一只小燒杯取半杯自來水，用銅圈在小燒杯內蘸水使銅圈內形成一層水膜。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，苯穿過水膜落下。洗凈銅圈后重復實驗，在多次實驗中，在滴加第二滴苯時，苯都會穿過水膜落下，水膜有時破裂，有時不破裂。

改用四氯化碳重復上述實驗，觀察到的實驗現(xiàn)象相同。

改用無水乙醇重復上述實驗。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，同時在下方會有液滴落下。洗凈銅圈后重復實驗，在多次實驗中，在滴加第二滴乙醇時，銅圈下方都會有液滴落下，水膜有時破裂，有時不破裂。

實驗2 取一個布氏漏斗，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。向布氏漏斗內加入適量的CCl4，CCl4不透過濾紙下漏。打開水龍頭用減壓泵減壓，CCl4透過濾紙下漏。

改用苯、煤油等進行實驗，苯和煤油在減壓前均不透過濾紙下漏，在減壓后均透過濾紙下漏。

3 實驗分析

就實驗1中的兩個實驗現(xiàn)象來說，這兩種實驗現(xiàn)象可以說明兩種實驗原理：（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、四氯化碳等物質產生的壓力。當較多的苯、四氯化碳等物質產生較大的壓力時，這些物質就會穿過水膜落下。這說明難溶于水的物質穿過水膜的原理是：難溶物的壓力大于水膜的表面張力時，難溶物就會使水膜穿孔而落下。（2）銅圈上的水膜可以溶入少量的可溶性物質，如乙醇。若溶入了較多的可溶性物質的話，液膜下方就會有溶液落下。這說明易溶于水的物質穿過水膜的原理是：易溶物溶于水膜導致液膜變厚，液膜不能承受過多的液體而使下方的液體落下。此外，水膜有時破裂、有時不破裂，說明中間穿孔的水膜具有一定的自我修復能力。溶入乙醇的水膜的表面張力會減小，比純水水膜更容易破裂。

就筆者設計實驗1的意圖來說，筆者是要說明這樣一個問題：濾紙本身是有孔隙的，小于濾紙孔隙的粒子都可以穿過濾紙，難溶于水的液態(tài)物質不能透過濕潤的濾紙是由于液態(tài)水堵住了濾紙的空隙。銅圈是一個放大了的“孔隙”，銅圈上的水膜對難溶物的透過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難溶物透過的阻礙作用會更大。同時，濕濾紙緊貼在漏斗壁上，漏斗壁會對濾紙中水分子的阻礙作用提供支撐作用，這種支撐作用會強化濾紙中水分子的阻礙作用?？偟膩碚f，筆者認為實驗1達成了筆者的設計意圖。

受實驗1中苯和四氯化碳“穿過”或“不穿過”銅圈上水膜的啟發(fā)，筆者設計了實驗2。設計實驗2的目的是要說明這樣一個問題：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)物質就能夠透過濕濾紙。實驗2中的實驗現(xiàn)象證明了筆者的這個設想，減壓時，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)物質就可以通過濾紙孔隙下漏了?？梢栽O想，如果能設計一個裝置在漏斗的上方給漏斗內的液體適當加壓的話，難溶于水的液態(tài)物質也能透過濕潤的濾紙下漏。

在此，筆者還要對“有水形成的乳濁液能用過濾法分離嗎”一文中的一個實驗現(xiàn)象作一下理論上的說明。在“有水形成的乳濁液能用過濾法分離嗎”一文中，苯、煤油、甲苯、四氯化碳等物質與水形成的乳濁液只有水能透過濕濾紙，但苯酚與水形成的乳濁液能全部透過濾紙。苯酚與水形成的乳濁液能全部透過濾紙，主要決定于苯酚[2]的結構和性質。苯酚是一種含有羥基的有機物，這種結構決定了苯酚具有較強的親水性，也決定了苯酚與含有羥基的濾紙纖維具有較強的親和性。純凈的苯酚是無色晶體（熔點43℃），屬于可溶性物質（室溫下的溶解度為9.3g），不是難溶物質。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，但在短時間內難以見到水溶液和油溶液的明顯分界線（這是在日常實驗中常見到的實驗現(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間內出現(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、濾紙均有較強的親和性，苯酚溶液的水溶層和油溶層之間也有較強的親和性，所以苯酚溶液的油溶層很容易滲進含水的濕濾紙孔隙進而在常壓下穿過濾紙下漏。苯、煤油、甲苯、四氯化碳等物質都不具備此結構和性質特點，所以它們不能在常壓下穿過濕潤的濾紙孔隙而下漏。

4 結論

苯、煤油、甲苯、四氯化碳、乙酸乙酯等難溶于水的液態(tài)物質不能透過用水濕潤的濾紙，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濾紙，是由于苯酚與水、濾紙均有較強的親和性。

5 教學意義

苯、煤油等物質不能透過濕濾紙的實驗操作簡單、實驗現(xiàn)象有出人意料的新奇感，有助于學生從分子層次上加深對過濾的理解和認知，是中學階段開展探究性教學和趣味實驗的優(yōu)質素材。

參考文獻：

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

[2]人民教育出版社等單位編.普通高中課程標準實驗教科書·有機化學基礎[M].北京：人民教育出版社，2007.