周文元

摘要：從漏斗和濾紙的選擇、過濾器的制作以及玻璃棒的放置等四個(gè)方面對中學(xué)階段常壓過濾的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了補(bǔ)充說明。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)開折疊更科學(xué)；依據(jù)國內(nèi)高校和日本的實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)對濾紙的放置方法對過濾速度的影響進(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，即可有效提高過濾速度。

關(guān)鍵詞：常壓過濾；過濾操作；玻璃漏斗；濾紙折法

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

近期，在一次觀摩活動中發(fā)現(xiàn)了一系列關(guān)于常壓過濾教學(xué)中的問題：部分教師對過濾操作的認(rèn)識上存在疏漏；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，過濾耗時(shí)太長；課堂習(xí)題盲目拓展，不符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。針對上述問題，筆者補(bǔ)充四點(diǎn)關(guān)于常壓過濾實(shí)驗(yàn)教學(xué)的說明，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)過濾操作奠定理論基礎(chǔ)。

過濾操作使用的漏斗有標(biāo)準(zhǔn)型漏斗（也稱短頸漏斗）、長頸漏斗（有別于氣體制備中傾注液體用的“長頸漏斗”）、褶壁漏斗（內(nèi)壁呈瓦楞型）和無頸漏斗四種（見圖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8.5～10cm，頸口直徑7～8mm的“大號”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，無形中增加了學(xué)校的采購成本。另外，由于頸口直徑過大，頸內(nèi)難以形成水柱，在高校的重量分析操作中很少采用。

長頸漏斗比標(biāo)準(zhǔn)型漏斗過濾速度快，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，則過濾速度減慢。

目前，大部分高校教材和參考文獻(xiàn)中常壓過濾操作的配圖均采用長頸漏斗，但說明文字中只用“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)明顯存在將長頸漏斗和標(biāo)準(zhǔn)型漏斗配圖混淆的問題[8]。通常情況下，標(biāo)準(zhǔn)型漏斗和長頸漏斗均可用于常壓過濾。中學(xué)階段不作說明則“漏斗”視作標(biāo)準(zhǔn)型漏斗，但在高校的重量分析操作中，一般用長頸漏斗[9]。因此，中學(xué)生在作答“過濾需要哪些儀器”時(shí)選擇長頸漏斗是正確的，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“趁熱過濾”，也已經(jīng)超出初中化學(xué)的范圍。熱過濾需在熱濾漏斗（如圖1：e）中進(jìn)行。過濾前，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，熱過濾不可使用長頸漏斗，以免濾液在頸內(nèi)停留過久，散熱降溫，析出晶體而發(fā)生堵塞[10]。在過濾少量此類溶液時(shí)，也可將漏斗放在水浴上用水蒸氣加熱后進(jìn)行過濾（最好用減壓過濾）。蘇教版選修模塊《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》制備硫酸亞鐵銨晶體過程中，F(xiàn)eSO4溶液的趁熱過濾即用到上述方法。

我國生產(chǎn)的纖維素濾紙分為定性濾紙和定量濾紙。定性濾紙過濾后有較多棉質(zhì)纖維生成，僅在一般的定性分析和過濾操作中使用，不用于重量分析。定量濾紙經(jīng)過鹽酸和氫氟酸處理，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。國家標(biāo)準(zhǔn)《化學(xué)分析濾紙》（GB/T1914-93）對定性濾紙產(chǎn)品的分類、型號和技術(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，其中，A級品主要指標(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。

過濾器的制作是過濾操作的關(guān)鍵，高校重量分析操作需要反復(fù)練習(xí)過濾器的制作。雖然我們沒有必要用高校的標(biāo)準(zhǔn)來要求中學(xué)生，但是目前中學(xué)階段的過濾操作并不十分科學(xué)。筆者發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)的過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，即對折兩次再展開，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)教材明確說明濾紙第一次對折時(shí)稍微“錯(cuò)開”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)階段無需考慮沉淀的損耗，但比較而言，“錯(cuò)開”折疊濾紙更科學(xué)。

3.2 濾紙的放置標(biāo)準(zhǔn)有差異

幾乎所有的國內(nèi)教材都指明：“濾紙和漏斗之間貼緊無氣泡，否則會影響過濾速度。[13～15]”但少數(shù)教材的說法恰恰相反，只需要使濾紙的錐形上部與漏斗間沒有空隙[16，17]。日本的教材中甚至沒有趕去氣泡這一操作。那么，濾紙未緊貼漏斗而產(chǎn)生氣泡是否會影響過濾速度呢？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（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）對過濾速度的計(jì)量方法：將濾紙完全浸濕，取15mL蒸餾水進(jìn)行過濾，開始濾出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)壁間無氣泡并在斗頸內(nèi)做出完整水柱，分別用三張濾紙測定過濾速度。

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)壁間無氣泡（如圖2所示），分別用三張濾紙測定過濾速度。

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），分別用三張濾紙測定過濾速度。

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，過濾速度明顯快于實(shí)驗(yàn)二、三。實(shí)驗(yàn)二在過濾過程中，斗頸內(nèi)會出現(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)三在濾紙第二次對折時(shí)，使錐角大于60°，斗頸內(nèi)無水柱且濾紙與內(nèi)壁間有大氣泡，過濾速度較實(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，濾液流下過程中也會形成實(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，過濾速度也會有一定提升。

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)壁且無氣泡，但過濾速度仍然偏慢。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)壁間緊貼無氣泡，分別用三張濾紙測定過濾速度。

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），分別用三張濾紙測定過濾速度。

如表3數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)四在濾紙與漏斗緊貼無氣泡的情況下，過濾速度慢于實(shí)驗(yàn)五。實(shí)驗(yàn)五不僅在斗頸內(nèi)沒有水柱且濾紙與內(nèi)壁間存在大氣泡，過濾速度反而有所提升。筆者分析，錐形下部不緊貼內(nèi)壁，潤濕濾紙用的蒸餾水和濾液會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)生傾倒液體過快會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，一味強(qiáng)調(diào)“一貼、二低、三靠”并不是過濾操作教學(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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