針頭式過濾器在化學實驗中的應用

宋偉

摘要：針頭式過濾器是一種與注射器連接后實現快速加壓過濾的儀器，可以應用于化學實驗中，實現氣體、液體和固體的除雜，定量分析固體質量，或改善某些實驗現象的觀察效果。還可以利用其結構特點設計創新實驗，例如氣體的制備、性質檢驗和尾氣凈化一體化裝置，隨開隨用、隨關隨停的氣體發生器等。使用針頭式過濾器后能夠簡化實驗操作、提高實驗效率，且成本較低、易于推廣。

關鍵詞：針頭式過濾器；化學實驗；實驗應用；一體化設計

1 問題的提出

在初中階段，學生需要掌握“用普通漏斗和濾紙進行常壓過濾”的實驗操作[1]，但這種常規過濾方法速度較慢，而且操作比較麻煩。到了高中階段，學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，很難在學生分組實驗中使用。

針頭式過濾器是一種新穎的實驗儀器，在中學應用時，一方面可以發揮其常規的“加壓過濾”功能，與注射器連接后能實現快速過濾（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構，通過創新的實驗設計，發揮其過濾以外的其他功能（如檢驗氣體的性質、制作隨開隨用的氣體發生器等）。

以“針頭式過濾器”為檢索詞查閱了“中國知網”文獻，發現相關文獻多為化工、食品、生命科學領域的分析檢測類科研論文[2.3]，幾乎沒有應用到中學化學實驗中。然而，針頭式過濾器在中學化學實驗中的應用場景其實非常豐富，使用后能明顯提高實驗效率，簡化實驗操作，值得推廣。為此，對針頭式過濾器在中學化學實驗中應用的功能、方法、案例和價值，作一個比較全面的梳理和探討。

2 針頭式過濾器的結構與原理

針頭式過濾器經常與注射器組合使用，其結構如圖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口、出口、上頂蓋、下蓋、包邊、濾膜膜片組成。過濾器的進口連接在注射器的乳頭上，當注射器排出液體或氣體時，液體或氣體通過進口進入過濾器中，經過濾膜膜片過濾后，從出口流出。

針頭式過濾器可分為“可拆卸式”和“封閉式”兩種，本文實驗案例有時需要拆開濾膜膜片，收集濾出的固體做進一步的觀察或定量分析，因此默認采用“可拆卸式”針頭式過濾器，實物圖如圖2所示?！翱刹鹦妒健贬橆^式過濾器有多種型號，可根據實驗需要靈活選擇。建議用透明塑料材質的過濾器，當用作過濾或制備物質時可用直徑50mm過濾器，當用作檢驗氣體時可用直徑25mm過濾器，淘寶購買價格在幾元到十幾元不等。與之匹配的注射器規格為5mL～50mL，內部安裝的膜片需選擇與過濾器相同的直徑，定性實驗可選5μm左右孔徑，定量實驗可選1μm左右孔徑。

3 針頭式過濾器的應用案例

經梳理，針頭式過濾器在中學的應用可分為以下3個方面：（1）過濾液體，實現固液混合物的分離，這個功能與常規過濾相近，但具有速度快、操作簡便的優點；（2）過濾氣體，實現氣體的除雜，粉塵的凈化，或尾氣的凈化，這個功能是常規過濾方法很難實現的。（3）用于過濾以外的其他實驗，例如氣體性質的檢驗、制作“隨開隨用，隨關隨?！钡臍怏w發生器等。

3.1 ?通過過濾液體實現實驗功能

3.1.1 ?液體的除雜

初中化學經常涉及液體的除雜問題，“沉淀法”和“轉化法”是最常用的方法?！俺恋矸ā笔菍㈦s質轉變為沉淀而除去，例如：為了除去稀鹽酸中的少量稀硫酸，可以添加適量BaCl2溶液后過濾?！稗D化法”是將雜質轉化為被提純物質，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，把含有雜質的液體倒入注射器中；

（2）加入其他試劑進行除雜的化學反應；

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

（4）固體廢物被濾膜膜片阻擋，實現雜質的分離。

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“調節溶液的pH法除雜質離子”[4]、“食鹽的精制”[5]等實驗，本質上也采用了“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，在實驗室中經常有久置的溶液試劑，上層漂浮著一層懸浮物，底部也可能會因為水解或變質產生一些沉淀，如果直接傾倒使用，這些懸浮物和沉淀會隨液體倒出。此時可以用帶著過濾器的注射器抽取溶液，濾掉雜質，然后卸下過濾器，把潔凈的溶液添加到反應容器中，非常方便實用。

3.1.2 ?固體的除雜

固體的除雜常采用“溶解法”和“轉化法”?！叭芙夥ā笔菍⒐腆w中的雜質轉變為可溶物而除去，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，把含有雜質的固體粉末放在注射器中；

（2）加入其他試劑進行除雜的化學反應；

（3）連接針頭式過濾器，然后擠壓注射器活塞，使除去雜質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 ?定量分析固體質量

一些實驗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量。例如：測量粗鋅中的鋅含量（假設雜質不溶于酸），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，然后把不溶性雜質過濾到濾膜上，更換裝有蒸餾水的注射器洗滌雜質，最后對固體粉末進行干燥、稱重。用類似的方法，還可以測量石灰石中的碳酸鈣含量（假設雜質不溶于酸），以及驗證二氧化錳粉末在催化過氧化氫分解的前后質量不變。

3.1.4 ?加強實驗現象觀察

一些化學反應會生成沉淀，實驗者希望觀察沉淀的顏色和溶液的顏色，但有時沉淀的遮蔽能力太強，導致溶液顏色無法辨識；還有時溶液顏色過深，沉淀表面就像是被染了色，難以準確識別其本身的顏色。此時可以用裝有針頭式過濾器的注射器改進實驗，讓反應在注射器中完成，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。還可以更進一步，用注射器繼續抽取新的溶液，檢驗固體是否溶解。

例如：在Cu2O懸濁液中加入過量稀硫酸，生成物（實際為Cu在CuSO4中的懸濁液）呈現較深的紅棕色，肉眼直接觀察時很難把固體（分散質）和液體的顏色區分開來。但用針頭式過濾器過濾后，可以發現澄清的溶液呈現藍色，說明生成了Cu2+。接著，再用注射器抽取一定量的稀硫酸，會發現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，但沒有發生溶解，證明生成了Cu。

3.2 ?通過過濾氣體實現實驗功能

3.2.1 ?氣體的除雜

除去混合氣中的氣體雜質，經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。由于雜質的含量很少，可以用濃氫氧化鈉溶液潤濕的濾膜實現氣體的除雜，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氣體，還可以用2個注射器，分別接在過濾器的進口和出口（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（過濾器內的空間是足夠的）。

3.2.2 ?氣體中粉塵的凈化

一些實驗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。這類實驗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，實現對氣體的凈化。

再如，檢驗鎂條在空氣中燃燒后的剩余氣體成分時，需要去除燃燒生成的粉塵。這類實驗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

還有一些實驗需要凈化少量尾氣，可以事先不安裝過濾器，先注射器中完成實驗，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，還可以檢驗氣體的性質，具體的案例在“3.3.1 檢驗氣體的性質”部分詳細介紹。

3.3 實現過濾以外的其他功能

3.3.1 檢驗氣體的性質

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，實現氣體性質的檢驗。例如，圖4所示的裝置是二氧化硫的制備、性質檢驗和尾氣凈化“一體化”裝置，二氧化硫可以依次通過多個過濾器，實現多種性質的檢驗。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，觀察到注射器內發生反應，生成的氣體推動活塞抬高，實現二氧化硫的制備。

（3）倒置注射器，卸掉堵頭，依次安裝4個針頭式過濾器，內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個針頭式過濾器，觀察過濾器內濾膜或試紙顏色的變化。

實驗可觀察到潤濕品紅的濾膜從紅色變為無色，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為無色，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，實現尾氣處理。類似地，還可以設計更多的實驗，例如用高錳酸鉀和濃鹽水制氯氣，然后用多個過濾器檢驗氯氣的多種性質，最后用濃氫氧化鈉除去尾氣。

3.3.2 制作氣體發生器

為了讓氣體制備實現“隨開隨用，隨關隨?！?，經常采用啟普發生器盛放塊狀固體反應物（或催化劑），通過固液分離來實現隨時關停。但是，還有很多實驗采用粉末狀的固體反應物，不能再使用常規的啟普發生器。有研究者把固體粉末放在無紡布袋子中，通過細繩牽引，實現與液體接觸或分離。但在實際實驗時，固體粉末容易漏出袋子，導致實驗失敗，而且袋子阻隔了反應物，使反應速率大大降低。

筆者用針頭式過濾器制作的簡易氣體發生器（如圖5所示），可以實現粉末狀固體反應物與液體反應的“隨開隨用，隨關隨?！?。以雙氧水分解制氧氣為例，采用MnO2粉末作為催化劑，具體實驗操作步驟如下。

（1）在注射器內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，觀察到注射器內的雙氧水與MnO2接觸、發生反應，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，讓雙氧水經過濾后流出，但MnO2粉末被阻擋在濾膜膜片上，實現固液分離、“隨關隨?！?；

（5）通過推動注射器活塞，可以讓氧氣導出到需要的地方；

（6）需要再次制取氧氣時，可以重復步驟（2）～（4），實現“隨開隨用”。

除了實現上述“隨開隨用，隨關隨?！敝迫⊙鯕獾墓δ?，該裝置還可以回收MnO2粉末，在洗滌、干燥后稱量其質量，與反應前作比較，證明其質量不變，是催化劑。采用其他固體粉末與液體反應生成氣體的發生裝置，采用的實驗操作是相似的，不再贅述。

4?小結

針頭式注射器的應用有幾個明顯的優勢：（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）輕松實現常規實驗儀器難以完成的氣體過濾的功能；（3）通過注射器與多個針頭式過濾器的組合，實現氣體的制備、性質檢驗、尾氣處理的“一體化”；（4）實現粉末固體與液體反應“隨開隨用，隨關隨?！钡臍怏w發生器，解決常規啟普發生器無法使用粉末固體反應物的局限性。

這些實驗案例發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，還有利用其結構特點創新設計的其他功能。當然，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的“過濾”實驗基本技能的學習，而是應該在掌握規范實驗技能的基礎上再作嘗試。

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