“魚浮靈”增氧原理的實(shí)驗(yàn)探究

張曉紅

摘要：以“魚浮靈”作為探究對象，利用溶解氧傳感器和pH傳感器對“魚浮靈”增氧原理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，“魚浮靈”中碳酸鈉溶于水顯堿性，堿性條件能促進(jìn)H2O2的分解，從而達(dá)到緩解水體缺氧的目的。

關(guān)鍵詞：溶解氧傳感器；pH傳感器；魚浮靈；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2017）11–0074–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問題提出

作為高考考查科目之一，江蘇高考化學(xué)試卷命題以考查學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和化學(xué)學(xué)科能力為主旨，重點(diǎn)考查學(xué)生的信息獲取與加工、化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究、從化學(xué)視角分析解決問題和化學(xué)學(xué)科思維等能力。要求學(xué)生能設(shè)計(jì)解決簡單化學(xué)問題的實(shí)驗(yàn)探究方案，能運(yùn)用觀察實(shí)驗(yàn)、閱讀資料等多種手段收集證據(jù)，能基于證據(jù)推理形成探究結(jié)論，并運(yùn)用多種方式準(zhǔn)確地表達(dá)探究結(jié)果[1]。筆者現(xiàn)從教高三，感覺高中化學(xué)教材中多為結(jié)合教材內(nèi)容的簡單定性或定量實(shí)驗(yàn)，與高考考查要求尚有一定距離。受啟發(fā)于2016年江蘇高考化學(xué)試卷第18題，題中涉及供氧劑過氧化鈣（CaO2·8H2O）的制備以及過氧化鈣溶于水后溶液中溶解氧的測定。另外考慮到簡單易操作、實(shí)驗(yàn)安全、有探究價(jià)值等因素，本實(shí)驗(yàn)選擇“魚浮靈”作為研究對象，運(yùn)用數(shù)字化手持技術(shù)探究“魚浮靈”的增氧原理，與學(xué)生一起體驗(yàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的歷程。

2 實(shí)驗(yàn)原理

在水產(chǎn)養(yǎng)殖或運(yùn)輸過程中，如果水體缺氧會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)殖的魚蝦等輕則出現(xiàn)浮頭，重則泛池、窒息死亡，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。漁民們通常采用機(jī)械增氧、生物增氧和化學(xué)增氧三種方法增加水中溶解氧，實(shí)驗(yàn)探究的“魚浮靈”就是一種化學(xué)增氧劑?！棒~浮靈”溶于水后能迅速增加水體溶氧量并在長時(shí)間內(nèi)維持，提高魚苗及活魚運(yùn)輸?shù)某苫盥?，緩解消除水體中有機(jī)酸及分子氨的積累，增加水生動(dòng)物的抗病能力。通過產(chǎn)品說明和查閱資料，得知“魚浮靈”主要成分是過氧碳酸鈉（2Na2CO3·3H2O2），俗稱固體雙氧水。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 藥品及儀器

藥品：魚浮靈、NaCl（s）、Na2CO3（s）、NaOH（6mol/L）、H2O2（4%）、蒸餾水

儀器：數(shù)據(jù)采集器（蘇威爾軟件）、溶解氧傳感器、pH傳感器、計(jì)算機(jī)、磁力攪拌器、100mL燒杯、洗氣瓶、量筒等

3.2 操作要點(diǎn)

（1）pH傳感器比較靈敏，使用前需要用pH=4和pH=9.18的標(biāo)準(zhǔn)液校準(zhǔn)；溶解氧傳感器比較穩(wěn)定，一般出廠后不需要校準(zhǔn)，但使用時(shí)要注意探頭處不能有氣泡。

（2）4% H2O2的密度約1.0g/mL，根據(jù)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和濃度的換算公式，可求出其物質(zhì)的量濃度約為1.2mol/L。為使對比各組之間實(shí)驗(yàn)因素的影響盡量一致，通過計(jì)算求出80mL蒸餾水中加入“魚浮靈”的質(zhì)量約為6.7g，使其溶于水后H2O2濃度也等于1.2mol/L。

（3）NaOH固體溶于水放熱，為了排除溫度對反應(yīng)速率的影響，因此實(shí)驗(yàn)中選擇用6mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液pH。

3.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

3.4 實(shí)驗(yàn)探究

（1）向100mL燒杯中加入80mL蒸餾水，插入溶解氧傳感器探頭、pH傳感器探頭，連接數(shù)據(jù)采集器，打開磁力攪拌器，加入6.7g“魚浮靈”，繪制溶解氧（mg/L）和pH隨時(shí)間變化的曲線。

（2）向100mL燒杯中加入80mL H2O2（4%），同（1）操作；待曲線變化平穩(wěn)后加入少量NaCl固體，觀察曲線變化；待曲線變化平穩(wěn)后再加入少量Na2CO3固體，觀察曲線變化。

（3）向100mL燒杯中加入80mL H2O2（4%），同（1）操作；待曲線變化平穩(wěn)后加入少量NaOH溶液（6mol/L），觀察曲線變化。

（4）圖表分析。由于水中溶解氧量程為0～20（mg/L），pH量程為0～14，兩者相差不大，可以在坐標(biāo)軸上同時(shí)繪制溶解氧（mg/L）-時(shí)間（s）、pH-時(shí)間（s）兩條曲線，以便于觀察分析。（注：pH傳感器探頭從溶液中取出時(shí)pH會(huì)發(fā)生突變）

由圖2、表1可知：常溫下蒸餾水pH約為7，溶有少量O2；加入“魚浮靈”后溶液pH大于7，顯堿性，水中溶解氧明顯增大。常溫下H2O2 pH小于7，呈弱酸性，溶解氧大于純水，且隨時(shí)間遞增，水中溶解氧緩慢增大，說明常溫下H2O2能緩慢分解產(chǎn)生O2；加入NaCl后溶液呈弱酸性、溶解氧變化不明顯；加Na2CO3后溶液pH增大，堿性增強(qiáng)，溶解氧增大；加NaOH后溶液pH增大，堿性增強(qiáng)，溶解氧明顯增大。（注：表中數(shù)據(jù)取自加入不同試劑后，pH變化平穩(wěn)再次突變前的點(diǎn)）

3.5 實(shí)驗(yàn)再探究

為了進(jìn)一步確定溶液酸堿性對H2O2分解情況的影響，增加實(shí)驗(yàn)：向5個(gè)100mL燒杯中分別加入80mL H2O2（4%），用NaOH（6mol/L）調(diào)節(jié)五組溶液的酸堿性，使溶液的pH逐漸增大，依次插入溶解氧傳感器探頭、pH傳感器探頭，繪制溶解氧（mg/L）和pH隨時(shí)間變化的曲線。

由上述圖3、表2可知：除溫度、濃度、催化劑等條件，溶液的酸堿性也能影響H2O2的分解速率。不同pH下H2O2分解產(chǎn)生O2的速率不同，一定pH范圍內(nèi)，pH越大，溶液堿性越強(qiáng)，H2O2分解速率越快，但是pH調(diào)至11.74后，由圖3中溶解氧變化趨勢及表2中數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)H2O2分解速率不升反降，可推測H2O2分解速率與pH并不是完全正相關(guān)。（注：表中數(shù)據(jù)取自五組H2O2分別加入不同體積NaOH溶液后，pH變化平穩(wěn)再次突變前的點(diǎn)）endprint