“水的净化”实验创新改进

西北师范大学教育学院(730070) 李娜娜

1 问题的提出

水是学生熟悉的物质,生活中亦不乏净化水的实例,但学生对水的净化知识大多是散乱、表面、零星的。教材中水的净化是以单独实验的形式呈现的,自来水的生产工艺仅以图片的形式出现,使学生对水的净化知识只停留在感性的认知上,不能形成一个清晰、系统的水净化知识体系。基于以上思考,笔者设计出一体化水的净化实验装置,通过探究制取自来水、蒸馏水、去离子水实验,改变以往以讲授实验、演示实验为主的传统实验教学模式。

2 实验改进方案

2.1 实验目的

(1)通过改进“水的净化”实验,让学生在真实的问题情境下,结合小组合作学习的方式,共同探究水净化的材料、原理、方法。

(2)让学生在一体化的实验装置中学习沉淀、过滤、吸附、蒸馏及硬水软化的方法与原理,形成有关净水的一体化知识体系。

(3)通过水的净化改进实验,让学生懂得水净化不仅是科学问题,而且与环境、社会息息相关,提高学生节约资源和保护环境的意识。

2.2 实验原理

实验中采用净水的方法为沉淀、过滤、吸附、蒸馏法、离子交换法,以此除去水中固体颗粒、胶体、色素、细菌、病毒、有机物、溶解性的无机盐等。其中明矾净水的原理为：KAl(SO4)2＝K＋＋Al3＋＋2SO2－4,Al3＋＋3H2O＝Al(OH)3＋3H＋。明矾生成胶状的氢氧化铝[Al(OH)3],形成絮状沉淀,使水澄清。活性炭净水的原理是由于其表面积大、内部孔隙多,具有很强的吸附作用,通过表面的毛细管孔将水中的异味、色素、有害物质除去,属于物理吸附过程。

2.3 实验仪器及用品

药品及试剂：石英砂、明矾、活性炭、次氯酸钙、洗洁精、铬黑T、EDTA 标准液、缓冲液(NH4Cl/NH3H2O)、纱布、玻璃棉、阴阳离子树脂。

仪器：透明塑料瓶(500mL)、支管U 型管、三通管、玻璃管、带孔橡胶塞、止水夹、注射器(5mL)、冷凝管、锥形瓶、滴定管、烧杯(10mL)、二颈烧瓶(250mL)、改造后滴定管(100mL)。

2.4 实验装置的改进

实验装置如图1所示。

(1)简易水净化装置的制作与组装：裁去透明塑料瓶底部,从下到上依次装多层纱布、活性炭、明矾、石英砂,在瓶口下方制作带止水夹的出水口,出水口与U 型管左边橡胶塞连通,注射器与U 型管右边橡胶塞连通,连接三通管接入收集自来水的烧杯①。

(2)硬水软化装置的制作与组装：蒸馏装置,将二颈烧瓶与U 型管连接,依次接入蒸馏头、冷凝管,最后接入收集软水的烧杯②。去离子水简易装

图1 水的净化组合实验装置

置的制作：改造酸式滴定管,取出胶管中的玻璃珠,改用螺旋止水夹控制水的流速,胶管下端接玻璃导管,将处理过的离子树脂,分别装入自制酸式滴定管1/3处,底端装满玻璃棉,排除气泡,用玻璃管连通离子交换器,接入收集去离子水的烧杯③。

3 实验操作与现象

3.1 水的净化

组装好净水装置,利用石英砂过滤体积较小的不溶性固体物质,再用明矾进一步净化,使水中不溶性杂质沉淀,最后利用活性炭,除去水中的异味和色素。经过沉降、过滤、吸附等操作,在U 型管中得到澄清、透明的液体。

3.2 自来水的制备

向U 型管中澄清、透明的液体里用注射器注入次氯酸钙消毒剂,进行消毒灭菌,通过自制净水装置模拟自来水厂生产自来水过程,在烧杯①中收集自来水。

3.3 蒸馏水和去离子水的制备

蒸馏水的制备：U 型管中的自来水通过左侧支管口进入二颈烧瓶,点燃酒精灯,进行蒸馏操作,水蒸气经过冷凝管冷却,在烧杯②中收集蒸馏水。去离子水的制备：关闭烧杯①上方旋塞开关,自来水随带橡胶管的玻璃管流入阴阳离子交换柱,打开止水夹分别收集阴阳离子交换柱流出的阴离子水和阳离子水,阴阳离子水流入混合离子交换柱,得到去离子水,收集到烧杯③中。

3.4 硬水和软水的检验

采用洗洁精定性检验水样,向收集有不同水的①②③烧杯中加入等量洗洁精。可以观察到烧杯①水中出现较多白色垢状物且泡沫少,烧杯②③的水中几乎没有垢状物且泡沫丰富。采用配位滴定法定量检验水样,量取上述3 种水样于锥形瓶中,加NH4Cl/NH3H2O缓冲液10mL,少量铬黑T指示剂,用0.01mol/L的EDTA 标准液滴定,溶液由酒红色变为纯蓝色即为终点,记录EDTA 用量,平行测定3份。

4 实验改进的优点

本实验设计不局限于教材中的水净化的装置,以问题为导向设计了水净化的一系列实验,具有以下优点。

(1)采用整体优化原则,将初中教材中的“水的净化”实验进行改进,整合净水各个环节,化繁为简,让学生真正体会到做中学的乐趣,激发学生对水净化的探究兴趣,提高学生实践能力与创新意识。

(2)本实验的创新设计亮点在于实验装置的组合改进,将水的净化和硬水软化、检验组合为一体,相对于两步操作节约了实验时间且实验操作易控制。让学生在一套装置中制取自来水、蒸馏水、去离子水,同时可以学习多种净化水的方法,如沉降、过滤、吸附、蒸馏,离子交换法,针对不同目的采用不同净化方法,取得不同的净化效果,最后从水的净化定量的角度来区分硬水、软水。通过实验探究,提高学生的观察能力、思考能力,不断引导学生将所学化学知识应用到实际生活中解决问题。

(3)水是学生最常接触的物质,通过实验探究学习水的净化,体现了化学、技术、社会和环境的相互联系,同时让学生意识到水在生活中的重要性,树立保护水资源,节约用水的习惯。