數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究飲用水的曲線(xiàn)之韻

張靈麗 黃丹

摘要：在初中實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，引進(jìn)傳感器，用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)來(lái)探究各種飲用水、礦泉水的電導(dǎo)率和pH隨溫度的變化，為學(xué)生了解和選擇飲用水提供相關(guān)的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn);飲用水;礦泉水;酸堿性;電導(dǎo)率

文章編號(hào)：1008-0546（2019）02-0093-03 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

一、問(wèn)題的提出

水是生命之源，你對(duì)超市里琳瑯滿(mǎn)目的各種飲用水了解多少？應(yīng)該喝什么水？選擇依據(jù)是什么？選貴的？便宜的？商家推薦的？適合自己的？哪種水才是適合自己的呢？帶著這些問(wèn)題，我們選了一些常見(jiàn)的飲用水，用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是一種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)探究手段，利用數(shù)據(jù)采集器、傳感器和電腦軟件，集數(shù)據(jù)采集、分析于一體，具有便攜、直觀、快速、定量等特點(diǎn)[1]。

二、實(shí)驗(yàn)研究

1.實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

實(shí)驗(yàn)儀器：電腦、Vernierloggerpro3.8.7的Labquest2數(shù)據(jù)采集器、電導(dǎo)率傳感器、pH傳感器、溫度傳感器、50mL燒杯。

試劑：蒸餾水、自來(lái)水、純悅飲用水、康師傅飲用水、屈臣氏飲用水、景田飲用水、雀巢優(yōu)活飲用水、農(nóng)夫山泉飲用天然水、北極泉飲用天然礦泉水、農(nóng)夫山泉天然礦泉水、冰露飲用水、百歲山天然飲用礦泉水、洞庭山天然飲用礦泉水、皇家圣藍(lán)天然礦泉水。

2.實(shí)驗(yàn)裝置

3.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

將數(shù)據(jù)采集器、電導(dǎo)率傳感器、溫度傳感器、pH傳感器、電腦相連，把待測(cè)的各種水樣品倒入潔凈干燥的50mL燒杯，將電導(dǎo)率傳感器探頭、溫度傳感器探頭、pH傳感器探頭分別插人待測(cè)溶液中，用電爐給燒杯持續(xù)加熱，同時(shí)點(diǎn)擊采集，測(cè)定15℃-100℃范圍內(nèi)的溫度、電導(dǎo)率、pH數(shù)據(jù)。每次測(cè)量前，用蒸餾水洗滌傳感器探頭三次，再用待測(cè)液潤(rùn)洗探頭三次。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1.水樣數(shù)據(jù)匯總及分析

經(jīng)測(cè)定，各種不同品牌飲用水或礦泉水的pH、電導(dǎo)率及價(jià)格如表1所示：

通過(guò)數(shù)據(jù)的變化，有如下結(jié)論：（1）飲用水電導(dǎo)率隨著溫度的升高增大，但程度較小，礦泉水的電導(dǎo)率隨溫度升高，但程度也不大。（2）標(biāo)簽上是飲用水的電導(dǎo)率更接近蒸餾水，礦泉水的電導(dǎo)率相對(duì)大些。（3）隨著溫度的變化，飲用水的pH會(huì)變化，飲用水的pH隨著溫度升高而減小，應(yīng)該主要是水電離增大導(dǎo)致;多數(shù)礦泉水的pH隨著溫度的升高而升高?？赡苁谴龠M(jìn)水解所致。（4）各種礦泉水、飲用水的配料成分相似，微小的區(qū)別在于礦物質(zhì)含量多少不同。

（說(shuō)明：我們使用的傳感器是教學(xué)教育輔助器件，精確度達(dá)不到科研器件的要求，具體的數(shù)據(jù)因種種原因可能會(huì)有誤差，但我們的關(guān)注點(diǎn)不是具體的某一個(gè)數(shù)據(jù)的精確性，而是變化趨勢(shì)和對(duì)比度，變化趨勢(shì)和對(duì)比度是清晰可見(jiàn)的。）

2.空白實(shí)驗(yàn)——蒸餾水的pH和電導(dǎo)率

從圖2可以看出：隨著溫度的升高，pH逐漸減少，溫度在17℃時(shí)，pH為7.27，溫度在25℃時(shí)，pH為7.02，溫度在90℃時(shí)，pH為6.37。分析：由水電離所致，由水分子電離出的H⁺和OH^-數(shù)目在任何情況下總相等，水的離子積常數(shù)在常溫25℃時(shí)K_W=c（H⁺）·c（OH_-）=1.0×10^-14，所以25℃時(shí)，純水中c（H⁺）=c（OH_-）=1×10^-7mol/L，測(cè)出來(lái)的pH=7。本實(shí)驗(yàn)的起始溫度17℃，比常溫低，水的電離程度變小，K_W變小，pH變大，PH>7;本實(shí)驗(yàn)的最終溫度接近100℃，比常溫高，水的電離程度變大，K_W變大，pH變小，pH<7。

從圖3可以看出，電導(dǎo)率變化并不明顯，電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電能力取決于溶液中離子的濃度、離子遷移的速率和離子的電量等，溶液的導(dǎo)電能力是溶液中所有離子電導(dǎo)的總和。蒸餾水中電離出的離子的濃度微乎其微，所以，電導(dǎo)率從42μS/cm增加到53μS/cm，變化不明顯。

電導(dǎo)率隨溫度變化情況復(fù)雜。影響因素有：①離子遷移速度，通常溫度高，遷移速度大，②溶液中的帶電微粒數(shù)。③陰離子的水解和水解后離子的摩爾電導(dǎo)率不同。

3.洞庭山天然飲用礦泉水的pH和電導(dǎo)率

從圖4可以看出：隨著溫度的升高，pH逐漸減少，溫度在19℃時(shí)，pH為7.22，溫度在25℃時(shí)，pH為7.02，溫度在98℃時(shí)，pH為6.38。數(shù)值、變化趨勢(shì)和蒸餾水很類(lèi)似。

從圖5可以看出，隨著溫度的升高，電導(dǎo)率從45μS/cm增加到80μS/cm，溶液的導(dǎo)電能力是溶液中所有離子電導(dǎo)的總和，說(shuō)明洞庭山天然飲用水含有一定量礦物質(zhì)。

4.農(nóng)夫山泉飲用天然水的pH和電導(dǎo)率

從圖6可以看出：隨著溫度的升高，PH逐漸增大，溫度在19℃時(shí)，PH為7.19，溫度在98℃時(shí)，PH為7.77。隨著溫度的升高，PH增大，應(yīng)該是弱酸根離子水解導(dǎo)致。

從圖7可以看出，隨著溫度的升高，電導(dǎo)率從122μS/cm增加到157μS/cm，是蒸餾水的三倍多，從溶液的導(dǎo)電能力是溶液中所有離子電導(dǎo)的總和的角度來(lái)看，說(shuō)明農(nóng)夫山泉飲用水中礦物質(zhì)的含量比洞庭山要稍高一些。同時(shí)溫度的升高，溶液的電導(dǎo)率也是增大的。

5.皇家圣藍(lán)天然礦泉水的PH和電導(dǎo)率

從圖8可以看出：隨著溫度的升高，PH逐漸增大，溫度在19℃時(shí)，PH為6.54，溫度在96℃時(shí)，PH為7.96。隨著溫度的升高，鎂離子水解增強(qiáng)，PH減小，弱酸根離子水解增強(qiáng)，PH增大，在這里應(yīng)該是弱酸根離子的水解為主導(dǎo)因素，所以PH增大。

從圖9可以看出，隨著溫度的升高，電導(dǎo)率從549μS/cm增加到605μS/cm，電導(dǎo)率是蒸餾水的10倍左右，從溶液的導(dǎo)電能力是溶液中所有離子電導(dǎo)的總和來(lái)看，說(shuō)明皇家圣藍(lán)天然礦泉水的離子濃度比一般的飲用天然水、礦泉水大很多。從標(biāo)簽上看出，它的鈣離子和鎂離子的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于天然飲用水、礦泉水等，曲線(xiàn)數(shù)據(jù)和標(biāo)簽數(shù)據(jù)是一致的。

6.對(duì)比實(shí)驗(yàn)——硫酸鈉溶液

皇家圣藍(lán)天然礦泉水，電導(dǎo)率看似數(shù)值很大，是不是它的礦物質(zhì)濃度就是非常高呢？我們測(cè)定了1.0mol/L的硫酸鈉溶液的電導(dǎo)率，作為對(duì)比。圖10是隨著溫度的升高，1.0mol/L的硫酸鈉溶液的電導(dǎo)率從33000μS/cm-12000μS/cm的變化曲線(xiàn)?？梢?jiàn)，即使是礦泉水，其礦物質(zhì)的含量并不是很高，所以，想通過(guò)喝水來(lái)補(bǔ)充礦物質(zhì)其效果是微乎其微的，不論是飲用水還是礦泉水其主要作用是補(bǔ)充水而已。

7.對(duì)比實(shí)驗(yàn)——稀釋一滴檸檬汁

至于喝弱堿性的水好還是弱酸性的水好？下面用稀釋檸檬汁的實(shí)驗(yàn)來(lái)解釋比較。

實(shí)驗(yàn)操作：用滴管取一滴剛切開(kāi)的新鮮的檸檬汁，在2500mL的大燒杯中慢慢加水稀釋?zhuān)钡郊铀?500mL。用pH傳感器測(cè)pH變化，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：pH從3逐漸增大，無(wú)限接近7。圖像如下：

通過(guò)以上數(shù)據(jù)，可以得出，各種水樣的pH在7的上下浮動(dòng)，酸性、堿性都是極弱，其pH和一滴檸檬汁稀釋到2500mL的數(shù)據(jù)相接近，所以，不論是弱酸性還是弱堿性的水，對(duì)人體健康的影響都是微乎其微的，大可不必?fù)?dān)心。

四、結(jié)論

用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究水的結(jié)論是：首先，可以解決人們糾結(jié)的水的幾個(gè)參數(shù)：水溶液的酸堿性強(qiáng)弱、礦物質(zhì)含量的多少、價(jià)格、溫度升高對(duì)水溶液各種參數(shù)的影響等，從而指導(dǎo)人們理性地選擇飲用水。其次，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，多數(shù)水的礦物質(zhì)含量和酸堿性和標(biāo)簽基本一致，可以放心飲用。最后，飲用水和礦泉水中酸堿及礦物質(zhì)含量都是微乎其微的，它們最主要的作用還是補(bǔ)充水分。

參考文獻(xiàn)

[1]陳丹，劉補(bǔ)云.數(shù)字化手持技術(shù)在影響鹽類(lèi)水解因素中的應(yīng)用研究[J].北學(xué)教學(xué)，2016（2）：51-53

[2]孫德坤，沈文霞，搖甜揚(yáng).物理化學(xué)學(xué)習(xí)指導(dǎo)[M].北京：高等教育出版社，2007：361