宋偉

摘要：針頭式過濾器是一種與注射器連接后實(shí)現(xiàn)快速加壓過濾的儀器，可以應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)氣體、液體和固體的除雜，定量分析固體質(zhì)量，或改善某些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察效果。還可以利用其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，例如氣體的制備、性質(zhì)檢驗(yàn)和尾氣凈化一體化裝置，隨開隨用、隨關(guān)隨停的氣體發(fā)生器等。使用針頭式過濾器后能夠簡化實(shí)驗(yàn)操作、提高實(shí)驗(yàn)效率，且成本較低、易于推廣。

關(guān)鍵詞：針頭式過濾器；化學(xué)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)應(yīng)用；一體化設(shè)計(jì)

1 問題的提出

在初中階段，學(xué)生需要掌握“用普通漏斗和濾紙進(jìn)行常壓過濾”的實(shí)驗(yàn)操作[1]，但這種常規(guī)過濾方法速度較慢，而且操作比較麻煩。到了高中階段，學(xué)生還會接觸到真空抽濾，雖然提高了過濾速度，但仍然存在儀器成本高、需要用電、操作麻煩等不足，很難在學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)中使用。

針頭式過濾器是一種新穎的實(shí)驗(yàn)儀器，在中學(xué)應(yīng)用時(shí)，一方面可以發(fā)揮其常規(guī)的“加壓過濾”功能，與注射器連接后能實(shí)現(xiàn)快速過濾（而且不僅可以過濾液體，還可以過濾氣體）。另一方面，還可以利用過濾器的特殊結(jié)構(gòu)，通過創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，發(fā)揮其過濾以外的其他功能（如檢驗(yàn)氣體的性質(zhì)、制作隨開隨用的氣體發(fā)生器等）。

以“針頭式過濾器”為檢索詞查閱了“中國知網(wǎng)”文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)多為化工、食品、生命科學(xué)領(lǐng)域的分析檢測類科研論文[2.3]，幾乎沒有應(yīng)用到中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中。然而，針頭式過濾器在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用場景其實(shí)非常豐富，使用后能明顯提高實(shí)驗(yàn)效率，簡化實(shí)驗(yàn)操作，值得推廣。為此，對針頭式過濾器在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的功能、方法、案例和價(jià)值，作一個(gè)比較全面的梳理和探討。

2 針頭式過濾器的結(jié)構(gòu)與原理

針頭式過濾器經(jīng)常與注射器組合使用，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。注射器主要由空桶（帶刻度）、活塞和乳頭組成。針頭式過濾器主要由進(jìn)口、出口、上頂蓋、下蓋、包邊、濾膜膜片組成。過濾器的進(jìn)口連接在注射器的乳頭上，當(dāng)注射器排出液體或氣體時(shí)，液體或氣體通過進(jìn)口進(jìn)入過濾器中，經(jīng)過濾膜膜片過濾后，從出口流出。

針頭式過濾器可分為“可拆卸式”和“封閉式”兩種，本文實(shí)驗(yàn)案例有時(shí)需要拆開濾膜膜片，收集濾出的固體做進(jìn)一步的觀察或定量分析，因此默認(rèn)采用“可拆卸式”針頭式過濾器，實(shí)物圖如圖2所示?！翱刹鹦妒健贬橆^式過濾器有多種型號，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要靈活選擇。建議用透明塑料材質(zhì)的過濾器，當(dāng)用作過濾或制備物質(zhì)時(shí)可用直徑50mm過濾器，當(dāng)用作檢驗(yàn)氣體時(shí)可用直徑25mm過濾器，淘寶購買價(jià)格在幾元到十幾元不等。與之匹配的注射器規(guī)格為5mL～50mL，內(nèi)部安裝的膜片需選擇與過濾器相同的直徑，定性實(shí)驗(yàn)可選5μm左右孔徑，定量實(shí)驗(yàn)可選1μm左右孔徑。

3 針頭式過濾器的應(yīng)用案例

經(jīng)梳理，針頭式過濾器在中學(xué)的應(yīng)用可分為以下3個(gè)方面：（1）過濾液體，實(shí)現(xiàn)固液混合物的分離，這個(gè)功能與常規(guī)過濾相近，但具有速度快、操作簡便的優(yōu)點(diǎn)；（2）過濾氣體，實(shí)現(xiàn)氣體的除雜，粉塵的凈化，或尾氣的凈化，這個(gè)功能是常規(guī)過濾方法很難實(shí)現(xiàn)的。（3）用于過濾以外的其他實(shí)驗(yàn)，例如氣體性質(zhì)的檢驗(yàn)、制作“隨開隨用，隨關(guān)隨停”的氣體發(fā)生器等。

3.1 ?通過過濾液體實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)功能

3.1.1 ?液體的除雜

初中化學(xué)經(jīng)常涉及液體的除雜問題，“沉淀法”和“轉(zhuǎn)化法”是最常用的方法。“沉淀法”是將雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槌恋矶ィ纾簽榱顺ハ←}酸中的少量稀硫酸，可以添加適量BaCl2溶液后過濾。“轉(zhuǎn)化法”是將雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為被提純物質(zhì)，例如：為了除去CaCl2溶液中的少量HCl，可以采用添加過量的CaCO3后過濾的方法。

這些方法最終都形成了“固液混合物”，要分離出其中的液體，過濾掉不需要的固體。因此操作步驟為：

（1）用堵頭堵住注射器乳頭，把含有雜質(zhì)的液體倒入注射器中；

（2）加入其他試劑進(jìn)行除雜的化學(xué)反應(yīng)；

（3）連接針頭式過濾器，然后擠壓注射器活塞，使除去雜質(zhì)的液體通過針頭式過濾器，進(jìn)入收集的容器中；

（4）固體廢物被濾膜膜片阻擋，實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)的分離。

注意：在第（3）步中，如果過濾器中殘留了一些液體，可以抽取一定空氣注入過濾器，使液體完全排出。

在高中階段還會出現(xiàn)“調(diào)節(jié)溶液的pH法除雜質(zhì)離子”[4]、“食鹽的精制”[5]等實(shí)驗(yàn)，本質(zhì)上也采用了“沉淀法”，需要把固液分離，因此操作原理和步驟是相通的。此外，在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常有久置的溶液試劑，上層漂浮著一層懸浮物，底部也可能會因?yàn)樗饣蜃冑|(zhì)產(chǎn)生一些沉淀，如果直接傾倒使用，這些懸浮物和沉淀會隨液體倒出。此時(shí)可以用帶著過濾器的注射器抽取溶液，濾掉雜質(zhì)，然后卸下過濾器，把潔凈的溶液添加到反應(yīng)容器中，非常方便實(shí)用。

3.1.2 ?固體的除雜

固體的除雜常采用“溶解法”和“轉(zhuǎn)化法”?！叭芙夥ā笔菍⒐腆w中的雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇芪锒?，例如：為了除去Cu粉末中的少量CuO，可以添加稀鹽酸溶解CuO后過濾?！稗D(zhuǎn)化法”例如：為了除去BaSO4粉末中的少量BaCO3，可以添加稀硫酸，把BaCO3轉(zhuǎn)化為BaSO4后過濾。

這些方法最終也都形成了“固液混合物”，與液體除雜不同的是，需要分離出所需的固體，過濾掉不需要的液體。因此操作步驟為：

（1）用堵頭堵住注射器乳頭，把含有雜質(zhì)的固體粉末放在注射器中；

（2）加入其他試劑進(jìn)行除雜的化學(xué)反應(yīng)；

（3）連接針頭式過濾器，然后擠壓注射器活塞，使除去雜質(zhì)的固體留在過濾器的濾膜膜片上，液體作為廢液排出；

（4）把針頭式過濾器拆下，安裝在另一個(gè)盛有蒸餾水的注射器上，按壓注射器使蒸餾水洗滌濾膜膜片上的固體；

（5）拆下濾膜膜片，放入干燥盒中干燥，然后收集濾膜膜片上的固體粉末。

注意：在第（3）步中，如果注射器內(nèi)仍然殘留了一些固體，可以添加蒸餾水后再次注入針頭式過濾器，使固體全部留在濾膜膜片上。

3.1.3 ?定量分析固體質(zhì)量

一些實(shí)驗(yàn)需要從固液混合物中分離固體粉末，然后定量稱量固體的質(zhì)量。例如：測量粗鋅中的鋅含量（假設(shè)雜質(zhì)不溶于酸），操作步驟與“固體的除雜”相近，可以把粗鋅放在注射器中，加入過量稀鹽酸溶解，然后把不溶性雜質(zhì)過濾到濾膜上，更換裝有蒸餾水的注射器洗滌雜質(zhì)，最后對固體粉末進(jìn)行干燥、稱重。用類似的方法，還可以測量石灰石中的碳酸鈣含量（假設(shè)雜質(zhì)不溶于酸），以及驗(yàn)證二氧化錳粉末在催化過氧化氫分解的前后質(zhì)量不變。

3.1.4 ?加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察

一些化學(xué)反應(yīng)會生成沉淀，實(shí)驗(yàn)者希望觀察沉淀的顏色和溶液的顏色，但有時(shí)沉淀的遮蔽能力太強(qiáng)，導(dǎo)致溶液顏色無法辨識；還有時(shí)溶液顏色過深，沉淀表面就像是被染了色，難以準(zhǔn)確識別其本身的顏色。此時(shí)可以用裝有針頭式過濾器的注射器改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，讓反應(yīng)在注射器中完成，然后擠壓注射器活塞，讓澄清的溶液流出，沉淀固體留在白色的濾膜膜片上，方便分別觀察兩者的顏色。還可以更進(jìn)一步，用注射器繼續(xù)抽取新的溶液，檢驗(yàn)固體是否溶解。

例如：在Cu2O懸濁液中加入過量稀硫酸，生成物（實(shí)際為Cu在CuSO4中的懸濁液）呈現(xiàn)較深的紅棕色，肉眼直接觀察時(shí)很難把固體（分散質(zhì)）和液體的顏色區(qū)分開來。但用針頭式過濾器過濾后，可以發(fā)現(xiàn)澄清的溶液呈現(xiàn)藍(lán)色，說明生成了Cu2+。接著，再用注射器抽取一定量的稀硫酸，會發(fā)現(xiàn)紅棕色固體粉末從濾膜膜片上重新被“吸”回了注射器筒中，分散在稀硫酸中形成懸濁液，但沒有發(fā)生溶解，證明生成了Cu。

3.2 ?通過過濾氣體實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)功能

3.2.1 ?氣體的除雜

除去混合氣中的氣體雜質(zhì)，經(jīng)常采用溶液吸收的方法，例如：為了除去CO中的少量CO2，或除去空氣中的CO2，可以通入氫氧化鈉溶液，把CO2吸收。由于雜質(zhì)的含量很少，可以用濃氫氧化鈉溶液潤濕的濾膜實(shí)現(xiàn)氣體的除雜，具體操作如下：

（1）旋開過濾器的上頂蓋和下蓋，放入浸潤氫氧化鈉溶液的濾膜膜片，然后重新組合上頂蓋和下蓋；這個(gè)步驟也可以替換為用過濾器吸取氫氧化鈉溶液，然后排出，也能讓濾膜膜片潤濕氫氧化鈉；

（2）把針頭式過濾器安裝在潔凈的注射器上，吸取混合氣，在此過程中CO2雜質(zhì)就被氫氧化鈉溶液吸收了；

（3）推動注射器活塞，排出氣體，在此過程中氣體再次通過氫氧化鈉溶液，提高吸收率；

（4）對于需要多次通過濾膜膜片才能吸收干凈的雜質(zhì)氣體，還可以用2個(gè)注射器，分別接在過濾器的進(jìn)口和出口（如圖3，出口與針筒用一小段硅膠管或熱縮管相連），通過來回抽拉注射器活塞，使氣體來回多次通過濾膜膜片，進(jìn)一步提高吸收率。

注意：為了證明氫氧化鈉溶液是過量的，還可以在氫氧化鈉溶液中滴入酚酞，如果酚酞顏色沒有明顯變淺，就能說明其過量。如果CO2雜質(zhì)含量較多，為了去除干凈，可以在濾紙上覆蓋一層沾有氫氧化鈉溶液的棉花（過濾器內(nèi)的空間是足夠的）。

3.2.2 ?氣體中粉塵的凈化

一些實(shí)驗(yàn)需要去除氣體中的粉塵，例如：加熱高錳酸鉀制得的氧氣中可能混有高錳酸鉀粉末，需要去除。這類實(shí)驗(yàn)需要凈化的氣體較多，可以把針頭式過濾器直接連接在收集氣體之前的橡皮管上，實(shí)現(xiàn)對氣體的凈化。

再如，檢驗(yàn)鎂條在空氣中燃燒后的剩余氣體成分時(shí)，需要去除燃燒生成的粉塵。這類實(shí)驗(yàn)需要凈化的氣體較少，可以用注射器連接過濾器后吸取待凈化的氣體，然后拆掉過濾器，使用凈化后的氣體。

3.2.3 ?尾氣的凈化

還有一些實(shí)驗(yàn)需要凈化少量尾氣，可以事先不安裝過濾器，先注射器中完成實(shí)驗(yàn)，然后安裝過濾器，用潤濕某種溶液的濾膜膜片去除尾氣。凈化尾氣前，還可以檢驗(yàn)氣體的性質(zhì)，具體的案例在“3.3.1 檢驗(yàn)氣體的性質(zhì)”部分詳細(xì)介紹。

3.3 實(shí)現(xiàn)過濾以外的其他功能

3.3.1 檢驗(yàn)氣體的性質(zhì)

由于針頭式過濾器是可拆卸的，可以提前在濾膜膜片上潤濕其他試劑，或直接更換成試紙，實(shí)現(xiàn)氣體性質(zhì)的檢驗(yàn)。例如，圖4所示的裝置是二氧化硫的制備、性質(zhì)檢驗(yàn)和尾氣凈化“一體化”裝置，二氧化硫可以依次通過多個(gè)過濾器，實(shí)現(xiàn)多種性質(zhì)的檢驗(yàn)。具體操作步驟如下。

（1）用注射器先后抽取少量亞硫酸鈉溶液和稀硫酸，然后迅速用堵頭堵住注射器的乳頭。

（2）手持注射器，觀察到注射器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，生成的氣體推動活塞抬高，實(shí)現(xiàn)二氧化硫的制備。

（3）倒置注射器，卸掉堵頭，依次安裝4個(gè)針頭式過濾器，內(nèi)部分別裝有潤濕品紅溶液的濾膜、潤濕蒸餾水的pH試紙、潤濕稀KMnO4溶液的濾膜和潤濕濃氫氧化鈉溶液的濾膜。

（4）推動注射器活塞，使少量SO2依次通過4個(gè)針頭式過濾器，觀察過濾器內(nèi)濾膜或試紙顏色的變化。

實(shí)驗(yàn)可觀察到潤濕品紅的濾膜從紅色變?yōu)闊o色，說明二氧化硫具有漂白性；潤濕蒸餾水的pH試紙顏色變紅，說明二氧化硫是酸性氣體；潤濕稀KMnO4溶液的濾膜從紫色變?yōu)闊o色，說明二氧化硫具有還原性；然后多余的二氧化硫被潤濕濃氫氧化鈉溶液的濾膜吸收，實(shí)現(xiàn)尾氣處理。類似地，還可以設(shè)計(jì)更多的實(shí)驗(yàn)，例如用高錳酸鉀和濃鹽水制氯氣，然后用多個(gè)過濾器檢驗(yàn)氯氣的多種性質(zhì)，最后用濃氫氧化鈉除去尾氣。

3.3.2 制作氣體發(fā)生器

為了讓氣體制備實(shí)現(xiàn)“隨開隨用，隨關(guān)隨?！保?jīng)常采用啟普發(fā)生器盛放塊狀固體反應(yīng)物（或催化劑），通過固液分離來實(shí)現(xiàn)隨時(shí)關(guān)停。但是，還有很多實(shí)驗(yàn)采用粉末狀的固體反應(yīng)物，不能再使用常規(guī)的啟普發(fā)生器。有研究者把固體粉末放在無紡布袋子中，通過細(xì)繩牽引，實(shí)現(xiàn)與液體接觸或分離。但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，固體粉末容易漏出袋子，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，而且袋子阻隔了反應(yīng)物，使反應(yīng)速率大大降低。

筆者用針頭式過濾器制作的簡易氣體發(fā)生器（如圖5所示），可以實(shí)現(xiàn)粉末狀固體反應(yīng)物與液體反應(yīng)的“隨開隨用，隨關(guān)隨?！?。以雙氧水分解制氧氣為例，采用MnO2粉末作為催化劑，具體實(shí)驗(yàn)操作步驟如下。

（1）在注射器內(nèi)倒入少量二氧化錳粉末，再連接針頭式過濾器，然后把活塞推至底部，排出空氣；

（2）在培養(yǎng)皿中倒入雙氧水，用注射器通過過濾器吸取少量雙氧水，然后立刻用堵頭堵住過濾器的出口；

（3）手持注射器，觀察到注射器內(nèi)的雙氧水與MnO2接觸、發(fā)生反應(yīng)，生成的氧氣推動注射器活塞抬高；

（4）待收集到足夠氧氣后，去掉過濾器出口處的堵頭，讓雙氧水經(jīng)過濾后流出，但MnO2粉末被阻擋在濾膜膜片上，實(shí)現(xiàn)固液分離、“隨關(guān)隨?！?；

（5）通過推動注射器活塞，可以讓氧氣導(dǎo)出到需要的地方；

（6）需要再次制取氧氣時(shí)，可以重復(fù)步驟（2）～（4），實(shí)現(xiàn)“隨開隨用”。

除了實(shí)現(xiàn)上述“隨開隨用，隨關(guān)隨?！敝迫⊙鯕獾墓δ埽撗b置還可以回收MnO2粉末，在洗滌、干燥后稱量其質(zhì)量，與反應(yīng)前作比較，證明其質(zhì)量不變，是催化劑。采用其他固體粉末與液體反應(yīng)生成氣體的發(fā)生裝置，采用的實(shí)驗(yàn)操作是相似的，不再贅述。

4?小結(jié)

針頭式注射器的應(yīng)用有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢：（1）讓原本操作麻煩、速度慢的常壓液體過濾變得簡單、快捷；（2）輕松實(shí)現(xiàn)常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器難以完成的氣體過濾的功能；（3）通過注射器與多個(gè)針頭式過濾器的組合，實(shí)現(xiàn)氣體的制備、性質(zhì)檢驗(yàn)、尾氣處理的“一體化”；（4）實(shí)現(xiàn)粉末固體與液體反應(yīng)“隨開隨用，隨關(guān)隨?！钡臍怏w發(fā)生器，解決常規(guī)啟普發(fā)生器無法使用粉末固體反應(yīng)物的局限性。

這些實(shí)驗(yàn)案例發(fā)揮出針頭式過濾器的不同功能，既有過濾器原本就有的加壓過濾功能，還有利用其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的其他功能。當(dāng)然，針頭式過濾器的使用也有一些局限性，它不能替代初中化學(xué)的“過濾”實(shí)驗(yàn)基本技能的學(xué)習(xí)，而是應(yīng)該在掌握規(guī)范實(shí)驗(yàn)技能的基礎(chǔ)上再作嘗試。

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