数字化实验探究饮用水的曲线之韵

张灵丽 黄丹

摘要：在初中实验教学中，引进传感器，用数字化实验来探究各种饮用水、矿泉水的电导率和pH随温度的变化，为学生了解和选择饮用水提供相关的参考依据。

关键词：数字化实验;饮用水;矿泉水;酸碱性;电导率

文章编号：1008-0546（2019）02-0093-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

一、问题的提出

水是生命之源，你对超市里琳琅满目的各种饮用水了解多少？应该喝什么水？选择依据是什么？选贵的？便宜的？商家推荐的？适合自己的？哪种水才是适合自己的呢？带着这些问题，我们选了一些常见的饮用水，用数字化实验进行实验研究。数字化实验是一种先进的实验探究手段，利用数据采集器、传感器和电脑软件，集数据采集、分析于一体，具有便携、直观、快速、定量等特点[1]。

二、实验研究

1.实验仪器和试剂

实验仪器：电脑、Vernierloggerpro3.8.7的Labquest2数据采集器、电导率传感器、pH传感器、温度传感器、50mL烧杯。

试剂：蒸馏水、自来水、纯悦饮用水、康师傅饮用水、屈臣氏饮用水、景田饮用水、雀巢优活饮用水、农夫山泉饮用天然水、北极泉饮用天然矿泉水、农夫山泉天然矿泉水、冰露饮用水、百岁山天然饮用矿泉水、洞庭山天然饮用矿泉水、皇家圣蓝天然矿泉水。

2.实验装置

3.实验内容

将数据采集器、电导率传感器、温度传感器、pH传感器、电脑相连，把待测的各种水样品倒入洁净干燥的50mL烧杯，将电导率传感器探头、温度传感器探头、pH传感器探头分别插人待测溶液中，用电炉给烧杯持续加热，同时点击采集，测定15℃-100℃范围内的温度、电导率、pH数据。每次测量前，用蒸馏水洗涤传感器探头三次，再用待测液润洗探头三次。

三、实验结果与分析

1.水样数据汇总及分析

经测定，各种不同品牌饮用水或矿泉水的pH、电导率及价格如表1所示：

通过数据的变化，有如下结论：（1）饮用水电导率随着温度的升高增大，但程度较小，矿泉水的电导率随温度升高，但程度也不大。（2）标签上是饮用水的电导率更接近蒸馏水，矿泉水的电导率相对大些。（3）随着温度的变化，饮用水的pH会变化，饮用水的pH随着温度升高而减小，应该主要是水电离增大导致;多数矿泉水的pH随着温度的升高而升高。可能是促进水解所致。（4）各种矿泉水、饮用水的配料成分相似，微小的區别在于矿物质含量多少不同。

（说明：我们使用的传感器是教学教育辅助器件，精确度达不到科研器件的要求，具体的数据因种种原因可能会有误差，但我们的关注点不是具体的某一个数据的精确性，而是变化趋势和对比度，变化趋势和对比度是清晰可见的。）

2.空白实验——蒸馏水的pH和电导率

从图2可以看出：随着温度的升高，pH逐渐减少，温度在17℃时，pH为7.27，温度在25℃时，pH为7.02，温度在90℃时，pH为6.37。分析：由水电离所致，由水分子电离出的H⁺和OH^-数目在任何情况下总相等，水的离子积常数在常温25℃时K_W=c（H⁺）·c（OH_-）=1.0×10^-14，所以25℃时，纯水中c（H⁺）=c（OH_-）=1×10^-7mol/L，测出来的pH=7。本实验的起始温度17℃，比常温低，水的电离程度变小，K_W变小，pH变大，PH>7;本实验的最终温度接近100℃，比常温高，水的电离程度变大，K_W变大，pH变小，pH<7。

从图3可以看出，电导率变化并不明显，电解质溶液的导电能力取决于溶液中离子的浓度、离子迁移的速率和离子的电量等，溶液的导电能力是溶液中所有离子电导的总和。蒸馏水中电离出的离子的浓度微乎其微，所以，电导率从42μS/cm增加到53μS/cm，变化不明显。

电导率随温度变化情况复杂。影响因素有：①离子迁移速度，通常温度高，迁移速度大，②溶液中的带电微粒数。③阴离子的水解和水解后离子的摩尔电导率不同。

3.洞庭山天然饮用矿泉水的pH和电导率

从图4可以看出：随着温度的升高，pH逐渐减少，温度在19℃时，pH为7.22，温度在25℃时，pH为7.02，温度在98℃时，pH为6.38。数值、变化趋势和蒸馏水很类似。

从图5可以看出，随着温度的升高，电导率从45μS/cm增加到80μS/cm，溶液的导电能力是溶液中所有离子电导的总和，说明洞庭山天然饮用水含有一定量矿物质。

4.农夫山泉饮用天然水的pH和电导率

从图6可以看出：随着温度的升高，PH逐渐增大，温度在19℃时，PH为7.19，温度在98℃时，PH为7.77。随着温度的升高，PH增大，应该是弱酸根离子水解导致。

从图7可以看出，随着温度的升高，电导率从122μS/cm增加到157μS/cm，是蒸馏水的三倍多，从溶液的导电能力是溶液中所有离子电导的总和的角度来看，说明农夫山泉饮用水中矿物质的含量比洞庭山要稍高一些。同时温度的升高，溶液的电导率也是增大的。

5.皇家圣蓝天然矿泉水的PH和电导率

从图8可以看出：随着温度的升高，PH逐渐增大，温度在19℃时，PH为6.54，温度在96℃时，PH为7.96。随着温度的升高，镁离子水解增强，PH减小，弱酸根离子水解增强，PH增大，在这里应该是弱酸根离子的水解为主导因素，所以PH增大。

从图9可以看出，随着温度的升高，电导率从549μS/cm增加到605μS/cm，电导率是蒸馏水的10倍左右，从溶液的导电能力是溶液中所有离子电导的总和来看，说明皇家圣蓝天然矿泉水的离子浓度比一般的饮用天然水、矿泉水大很多。从标签上看出，它的钙离子和镁离子的含量远远高于天然饮用水、矿泉水等，曲线数据和标签数据是一致的。

6.对比实验——硫酸钠溶液

皇家圣蓝天然矿泉水，电导率看似数值很大，是不是它的矿物质浓度就是非常高呢？我们测定了1.0mol/L的硫酸钠溶液的电导率，作为对比。图10是随着温度的升高，1.0mol/L的硫酸钠溶液的电导率从33000μS/cm-12000μS/cm的变化曲线。可见，即使是矿泉水，其矿物质的含量并不是很高，所以，想通过喝水来补充矿物质其效果是微乎其微的，不论是饮用水还是矿泉水其主要作用是补充水而已。

7.对比实验——稀释一滴柠檬汁

至于喝弱碱性的水好还是弱酸性的水好？下面用稀释柠檬汁的实验来解释比较。

实验操作：用滴管取一滴刚切开的新鲜的柠檬汁，在2500mL的大烧杯中慢慢加水稀释，直到加水至2500mL。用pH传感器测pH变化，实验现象：pH从3逐渐增大，无限接近7。图像如下：

通过以上数据，可以得出，各种水样的pH在7的上下浮动，酸性、碱性都是极弱，其pH和一滴柠檬汁稀释到2500mL的数据相接近，所以，不论是弱酸性还是弱碱性的水，对人体健康的影响都是微乎其微的，大可不必担心。

四、结论

用数字化实验研究水的结论是：首先，可以解决人们纠结的水的几个参数：水溶液的酸碱性强弱、矿物质含量的多少、价格、温度升高对水溶液各种参数的影响等，从而指导人们理性地选择饮用水。其次，通过数据对比发现，多数水的矿物质含量和酸碱性和标签基本一致，可以放心饮用。最后，饮用水和矿泉水中酸碱及矿物质含量都是微乎其微的，它们最主要的作用还是补充水分。

参考文献

[1]陈丹，刘补云.数字化手持技术在影响盐类水解因素中的应用研究[J].北学教学，2016（2）：51-53

[2]孙德坤，沈文霞，摇甜扬.物理化学学习指导[M].北京：高等教育出版社，2007：361