分液時有機相層和水相層的區分

張金水

摘要： 為解答如何簡單區分分液時有機相層和水相層的一道實驗設計題，在課堂向學生實驗演示求證時發現液液界面存在彎曲的現象，引起教師的關注和研究。應用表面張力等原理并與實際操作相結合，分析解答該疑難問題，并介紹了對理化學科知識趨于綜合而又各有側重的認識。

關鍵詞： 高中化學;分液;分離有機相;表面張力;彎曲界面

文章編號： 10056629（2018）3009102 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

基于化學學科視角建構化學核心素養，可從化學研究方法等方面分析，而實驗方法是最基礎和最重要的研究方法。高中化學教育需要發展學生通過實驗獲取物質及其變化的證據、基于證據推理形成結論的思維能力，發展學生通過實驗探究解決與化學相關的實際問題的能力 [1]。

蘇教版《化學1》專題一第二單元“研究物質的實驗方法”第一節“物質的分離與提純”內容中，一道關于如何簡單區分分液后的有機相層和水相層的實驗設計題，引起了教師的關注，產生了以下思考和探究供大家探討。

1 提出問題，學生作答

配套高中化學教材使用的浙江省普通高中作業本化學必修《化學1》（雙色版），“物質的分離與提純”內容中收錄了一道經典的實驗設計題，用來綜合考查學生對于分液原理的理解和實驗方法的應用。題目如下 [2]：

“用分液漏斗和一種有機溶劑提取水溶液里的某物質，靜置分層后，為了知道哪一層液體是“水層”，試設計一種簡便的判斷方法： 。”

參考答案： 打開分液漏斗的活塞，從漏斗下端慢慢放出少量液體于試管中，加入少量水靜置，若不分層，則下層為水層，反之上層為水層。

解析： 該題要求設計簡便的判斷方法，可利用水和與水不相溶的有機溶劑在物理、化學性質上差異的多樣性，因此理論上可得出不同的開放性答案。除參考答案外，學生一般還有以下幾種可能的方案：

（1） 前面的操作同參考答案，往試管中加入少量乙酸乙酯、苯或CCl 4等，若試管中液體不分層，則上層為水層，反之下層為水層。

（2） 前面的操作同參考答案，往試管中加入少量硫酸銅粉末，若試管中液體變藍，則下層為水層，反之上層為水層。

（3） 前面的操作同參考答案，往試管中加入少量氯化鈉等易溶于水的無機物，若試管中固體溶解，則下層為水層，反之上層為水層。

（4） 前面的操作同參考答案，往試管中投入一小粒金屬鈉，若劇烈反應放出氣體，則下層為水層，反之上層為水層。

……

2 實驗求證，意外發現

作業批改后課堂反饋該實驗題，除規范學生答題的文字描述外，為加深學生對于無色的互不相溶液體分層現象的直觀認識和印象，教師向學生課堂展示四氯化碳和水在試管中的分層現象（如圖1所示）。又請了一位學生向試管中加入水驗證參考答案中的實驗方案，并在課堂內傳遞以供學生近距離觀察液液分層現象。雖然解決了學生的作業問題，但教師卻對四氯化碳和水的液液界面上凸產生了疑惑，于是課后補做了一個苯和水在試管中的實驗并觀察分層現象。

圖2 苯和水的分層現象示意圖

實驗現象和預期的一樣： 四氯化碳和水分層時，四氯化碳在下層，水在上層，液液界面上凸;苯和水分層時，苯在上層，水在下層，液液界面下凹（如圖2所示）。

通過實驗求證后，上述習題的開放性實驗設計方案又增加了一種更簡便可行的方法——直接觀察法。那么，為什么會出現這種現象呢？

3 研究現象，理論分析

可以用表面張力來解釋這種現象，液體表面的最基本的特性是趨向于收縮。液體內部的分子在各個方向上受到鄰近分子的作用是對稱的，各個方向上的力彼此抵消。但在液體表面的分子，僅受到下面和側面分子的作用力。因而在液體表面的分子有一種指向液體內部的拉力，使得液體表面都有自動減小的趨勢（見圖3）。

（a） 在液體表面的分子

（b） 在液體內部的分子

圖3 液體中分子間的作用力

純物質的表面張力與分子的性質有很大關系。原子之間若是金屬鍵，表面張力最大，其次是離子鍵、極性共價鍵，具有非極性共價鍵分子的物質表面張力最小。水因為有氫鍵，所以表面張力也比較大。根據Antonoff（安托諾夫）經驗規律，兩種液體之間的界面張力是兩種液體互相飽和時，兩種液體的表面張力之差 [3]。

根據表1所列數據可知，水的表面張力通常比有機溶劑的表面張力要大，可得四氯化碳和水、苯和水的液液界面趨向于水方向收縮。

靜止的表面一般是一個平面，但在某些特殊情況下會產生毛細現象 [4]。由于表面張力的作

用，在液面的內外，所受到的壓力不相等，則是一個彎曲表面。對于玻璃材質的試管來說，水能濕潤試管，液面呈彎月凹面 [5]。

表1 一些純物質的表面張力 [6]

液體t/℃σ/N·m -1

水

200.07288

250.07214

300.07140

苯200.02888

甲苯200.2852

氯仿250.02667

四氯化碳250.02643

綜上所述，由于水能濕潤玻璃試管且水的表面張力通常比有機溶劑的表面張力要大，因此，水和四氯化碳、苯等互不相溶的有機試劑在試管中，液液界面朝著水方向呈彎月凹面。那么，在實際的教學科研中可以采用直接觀察的方法嗎？

4 結合實際，疑問解答

實驗表明，由毛細現象引起的液液界面彎曲在試管中比較明顯，但在分液漏斗中因斗體直徑變大液液界面彎曲不明顯而很難直接觀察。并且在實際情況中，一般是某反應后作后處理時用分液漏斗進行分液操作，此時受分配系數、密度、表面張力、黏度等因素的影響，水層已不是單純的水層，有機層也不是單純的有機層。如萃取體系中的界面張力較小時，液體易分散，液液界面易產生乳化現象使兩相難以分離 [7]。此時，界面含糊不清，更不用說直接觀察到凹面、凸面。因此受上述影響，大多數實際情況而言，一般無法采用直接觀察的方法。

同時，有些有機溶劑和水之間有一定的溶解度，分層后有機層中會有少量水，此時用少量硫酸銅、氯化鈉、金屬鈉等方法來檢驗也不一定有效，且操作相對比較麻煩，還可能有一定的危險性。因此，在實際情況中，一般也不會采用學生提供的其他一些參考方案。

5 結語

2017年10月，諾貝爾化學獎頒發給了三位物理學家，以表彰他們幫助生物學家在“開發用于溶液中生物分子高分辨率結構測定的冷凍電子顯微鏡技術方面的貢獻”。人類科學發展到今天，自然學科之間相互交叉和相互滲透，學科界限越來越模糊，學科之間綜合應用已經常態化。

問詢高中物理教師如何解釋產生液液界面彎曲現象的原理，答案都非常統一，即由表面張力引起。難道中學化學教師沒有發現和關注到該現象并嘗試對此作出解釋嗎？筆者認為原因可歸結為以下兩點：

一是師生大多數情況下首先想到的是該習題參考答案提供的方案。該方案屬于物理方法，無化學反應和熱效應，操作簡單方便，現象明顯且安全可靠。因此，通常情況下也是解決實際問題的最佳方案。而液液界面彎曲現象在實際情況中受多種因素影響無法被直接明顯觀察，容易被忽略。

二是中學階段，化學學科在學習分液操作時，側重于掌握把兩種互不混溶液體分離的原理、儀器的選擇使用、裝置的搭建操作等實驗方法。正如減壓過濾，中學階段側重減壓過濾操作的適用范圍、裝置搭建和操作事項，而很少提及利用伯努利原理去解釋水流速度控制氣壓差達到減壓的目的。因此，不是不關注理化學科之間存在壁壘，而是由于學科特點不同，細分的知識和側重的內容不同。

參考文獻：

[1]吳星.高中化學核心素養的建構視角[J].化學教學，2017，（2）： 6～7.

[2]浙江省基礎教育課程教材開發研究中心.浙江省普通高中作業本·化學1（雙色版）[M].杭州： 浙江教育出版社，2015： 14.

[3][6]傅獻彩等.物理化學（下冊）（第5版）[M].北京： 高等教育出版社，2006： 314，318～324.

[4]傅獻彩.大學化學（上冊）（第5版）[M].北京： 高等教育出版社，1999： 46.

[5]鐘育喬.毛細現象辨析[J].大學物理，1993，12（7）： 30～34.

[7]李兆隴，陰金香，林天舒.有機化學實驗[M].北京： 清華大學出版社，2001： 57～60.