分液时有机相层和水相层的区分

张金水

摘要： 为解答如何简单区分分液时有机相层和水相层的一道实验设计题，在课堂向学生实验演示求证时发现液液界面存在弯曲的现象，引起教师的关注和研究。应用表面张力等原理并与实际操作相结合，分析解答该疑难问题，并介绍了对理化学科知识趋于综合而又各有侧重的认识。

关键词： 高中化学;分液;分离有机相;表面张力;弯曲界面

文章编号： 10056629（2018）3009102 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

基于化学学科视角建构化学核心素养，可从化学研究方法等方面分析，而实验方法是最基础和最重要的研究方法。高中化学教育需要发展学生通过实验获取物质及其变化的证据、基于证据推理形成结论的思维能力，发展学生通过实验探究解决与化学相关的实际问题的能力 [1]。

苏教版《化学1》专题一第二单元“研究物质的实验方法”第一节“物质的分离与提纯”内容中，一道关于如何简单区分分液后的有机相层和水相层的实验设计题，引起了教师的关注，产生了以下思考和探究供大家探討。

1 提出问题，学生作答

配套高中化学教材使用的浙江省普通高中作业本化学必修《化学1》（双色版），“物质的分离与提纯”内容中收录了一道经典的实验设计题，用来综合考查学生对于分液原理的理解和实验方法的应用。题目如下 [2]：

“用分液漏斗和一种有机溶剂提取水溶液里的某物质，静置分层后，为了知道哪一层液体是“水层”，试设计一种简便的判断方法： 。”

参考答案： 打开分液漏斗的活塞，从漏斗下端慢慢放出少量液体于试管中，加入少量水静置，若不分层，则下层为水层，反之上层为水层。

解析： 该题要求设计简便的判断方法，可利用水和与水不相溶的有机溶剂在物理、化学性质上差异的多样性，因此理论上可得出不同的开放性答案。除参考答案外，学生一般还有以下几种可能的方案：

（1） 前面的操作同参考答案，往试管中加入少量乙酸乙酯、苯或CCl 4等，若试管中液体不分层，则上层为水层，反之下层为水层。

（2） 前面的操作同参考答案，往试管中加入少量硫酸铜粉末，若试管中液体变蓝，则下层为水层，反之上层为水层。

（3） 前面的操作同参考答案，往试管中加入少量氯化钠等易溶于水的无机物，若试管中固体溶解，则下层为水层，反之上层为水层。

（4） 前面的操作同参考答案，往试管中投入一小粒金属钠，若剧烈反应放出气体，则下层为水层，反之上层为水层。

……

2 实验求证，意外发现

作业批改后课堂反馈该实验题，除规范学生答题的文字描述外，为加深学生对于无色的互不相溶液体分层现象的直观认识和印象，教师向学生课堂展示四氯化碳和水在试管中的分层现象（如图1所示）。又请了一位学生向试管中加入水验证参考答案中的实验方案，并在课堂内传递以供学生近距离观察液液分层现象。虽然解决了学生的作业问题，但教师却对四氯化碳和水的液液界面上凸产生了疑惑，于是课后补做了一个苯和水在试管中的实验并观察分层现象。

图2 苯和水的分层现象示意图

实验现象和预期的一样： 四氯化碳和水分层时，四氯化碳在下层，水在上层，液液界面上凸;苯和水分层时，苯在上层，水在下层，液液界面下凹（如图2所示）。

通过实验求证后，上述习题的开放性实验设计方案又增加了一种更简便可行的方法——直接观察法。那么，为什么会出现这种现象呢？

3 研究现象，理论分析

可以用表面张力来解释这种现象，液体表面的最基本的特性是趋向于收缩。液体内部的分子在各个方向上受到邻近分子的作用是对称的，各个方向上的力彼此抵消。但在液体表面的分子，仅受到下面和侧面分子的作用力。因而在液体表面的分子有一种指向液体内部的拉力，使得液体表面都有自动减小的趋势（见图3）。

（a） 在液体表面的分子

（b） 在液体内部的分子

图3 液体中分子间的作用力

纯物质的表面张力与分子的性质有很大关系。原子之间若是金属键，表面张力最大，其次是离子键、极性共价键，具有非极性共价键分子的物质表面张力最小。水因为有氢键，所以表面张力也比较大。根据Antonoff（安托诺夫）经验规律，两种液体之间的界面张力是两种液体互相饱和时，两种液体的表面张力之差 [3]。

根据表1所列数据可知，水的表面张力通常比有机溶剂的表面张力要大，可得四氯化碳和水、苯和水的液液界面趋向于水方向收缩。

静止的表面一般是一个平面，但在某些特殊情况下会产生毛细现象 [4]。由于表面张力的作

用，在液面的内外，所受到的压力不相等，则是一个弯曲表面。对于玻璃材质的试管来说，水能湿润试管，液面呈弯月凹面 [5]。

表1 一些纯物质的表面张力 [6]

液体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

综上所述，由于水能湿润玻璃试管且水的表面张力通常比有机溶剂的表面张力要大，因此，水和四氯化碳、苯等互不相溶的有机试剂在试管中，液液界面朝着水方向呈弯月凹面。那么，在实际的教学科研中可以采用直接观察的方法吗？

4 结合实际，疑问解答

实验表明，由毛细现象引起的液液界面弯曲在试管中比较明显，但在分液漏斗中因斗体直径变大液液界面弯曲不明显而很难直接观察。并且在实际情况中，一般是某反应后作后处理时用分液漏斗进行分液操作，此时受分配系数、密度、表面张力、黏度等因素的影响，水层已不是单纯的水层，有机层也不是单纯的有机层。如萃取体系中的界面张力较小时，液体易分散，液液界面易产生乳化现象使两相难以分离 [7]。此时，界面含糊不清，更不用说直接观察到凹面、凸面。因此受上述影响，大多数实际情况而言，一般无法采用直接观察的方法。

同时，有些有机溶剂和水之间有一定的溶解度，分层后有机层中会有少量水，此时用少量硫酸铜、氯化钠、金属钠等方法来检验也不一定有效，且操作相对比较麻烦，还可能有一定的危险性。因此，在实际情况中，一般也不会采用学生提供的其他一些参考方案。

5 结语

2017年10月，诺贝尔化学奖颁发给了三位物理学家，以表彰他们帮助生物学家在“開发用于溶液中生物分子高分辨率结构测定的冷冻电子显微镜技术方面的贡献”。人类科学发展到今天，自然学科之间相互交叉和相互渗透，学科界限越来越模糊，学科之间综合应用已经常态化。

问询高中物理教师如何解释产生液液界面弯曲现象的原理，答案都非常统一，即由表面张力引起。难道中学化学教师没有发现和关注到该现象并尝试对此作出解释吗？笔者认为原因可归结为以下两点：

一是师生大多数情况下首先想到的是该习题参考答案提供的方案。该方案属于物理方法，无化学反应和热效应，操作简单方便，现象明显且安全可靠。因此，通常情况下也是解决实际问题的最佳方案。而液液界面弯曲现象在实际情况中受多种因素影响无法被直接明显观察，容易被忽略。

二是中学阶段，化学学科在学习分液操作时，侧重于掌握把两种互不混溶液体分离的原理、仪器的选择使用、装置的搭建操作等实验方法。正如减压过滤，中学阶段侧重减压过滤操作的适用范围、装置搭建和操作事项，而很少提及利用伯努利原理去解释水流速度控制气压差达到减压的目的。因此，不是不关注理化学科之间存在壁垒，而是由于学科特点不同，细分的知识和侧重的内容不同。

参考文献：

[1]吴星.高中化学核心素养的建构视角[J].化学教学，2017，（2）： 6～7.

[2]浙江省基础教育课程教材开发研究中心.浙江省普通高中作业本·化学1（双色版）[M].杭州： 浙江教育出版社，2015： 14.

[3][6]傅献彩等.物理化学（下册）（第5版）[M].北京： 高等教育出版社，2006： 314，318～324.

[4]傅献彩.大学化学（上册）（第5版）[M].北京： 高等教育出版社，1999： 46.

[5]钟育乔.毛细现象辨析[J].大学物理，1993，12（7）： 30～34.

[7]李兆陇，阴金香，林天舒.有机化学实验[M].北京： 清华大学出版社，2001： 57～60.