“水的凈化”實驗創(chuàng)新改進

西北師范大學教育學院(730070) 李娜娜

1 問題的提出

水是學生熟悉的物質,生活中亦不乏凈化水的實例,但學生對水的凈化知識大多是散亂、表面、零星的。教材中水的凈化是以單獨實驗的形式呈現(xiàn)的,自來水的生產(chǎn)工藝僅以圖片的形式出現(xiàn),使學生對水的凈化知識只停留在感性的認知上,不能形成一個清晰、系統(tǒng)的水凈化知識體系。基于以上思考,筆者設計出一體化水的凈化實驗裝置,通過探究制取自來水、蒸餾水、去離子水實驗,改變以往以講授實驗、演示實驗為主的傳統(tǒng)實驗教學模式。

2 實驗改進方案

2.1 實驗目的

(1)通過改進“水的凈化”實驗,讓學生在真實的問題情境下,結合小組合作學習的方式,共同探究水凈化的材料、原理、方法。

(2)讓學生在一體化的實驗裝置中學習沉淀、過濾、吸附、蒸餾及硬水軟化的方法與原理,形成有關凈水的一體化知識體系。

(3)通過水的凈化改進實驗,讓學生懂得水凈化不僅是科學問題,而且與環(huán)境、社會息息相關,提高學生節(jié)約資源和保護環(huán)境的意識。

2.2 實驗原理

實驗中采用凈水的方法為沉淀、過濾、吸附、蒸餾法、離子交換法,以此除去水中固體顆粒、膠體、色素、細菌、病毒、有機物、溶解性的無機鹽等。其中明礬凈水的原理為：KAl(SO4)2＝K＋＋Al3＋＋2SO2－4,Al3＋＋3H2O＝Al(OH)3＋3H＋。明礬生成膠狀的氫氧化鋁[Al(OH)3],形成絮狀沉淀,使水澄清?；钚蕴績羲脑硎怯捎谄浔砻娣e大、內(nèi)部孔隙多,具有很強的吸附作用,通過表面的毛細管孔將水中的異味、色素、有害物質除去,屬于物理吸附過程。

2.3 實驗儀器及用品

藥品及試劑：石英砂、明礬、活性炭、次氯酸鈣、洗潔精、鉻黑T、EDTA 標準液、緩沖液(NH4Cl/NH3H2O)、紗布、玻璃棉、陰陽離子樹脂。

儀器：透明塑料瓶(500mL)、支管U 型管、三通管、玻璃管、帶孔橡膠塞、止水夾、注射器(5mL)、冷凝管、錐形瓶、滴定管、燒杯(10mL)、二頸燒瓶(250mL)、改造后滴定管(100mL)。

2.4 實驗裝置的改進

實驗裝置如圖1所示。

(1)簡易水凈化裝置的制作與組裝：裁去透明塑料瓶底部,從下到上依次裝多層紗布、活性炭、明礬、石英砂,在瓶口下方制作帶止水夾的出水口,出水口與U 型管左邊橡膠塞連通,注射器與U 型管右邊橡膠塞連通,連接三通管接入收集自來水的燒杯①。

(2)硬水軟化裝置的制作與組裝：蒸餾裝置,將二頸燒瓶與U 型管連接,依次接入蒸餾頭、冷凝管,最后接入收集軟水的燒杯②。去離子水簡易裝

圖1 水的凈化組合實驗裝置

置的制作：改造酸式滴定管,取出膠管中的玻璃珠,改用螺旋止水夾控制水的流速,膠管下端接玻璃導管,將處理過的離子樹脂,分別裝入自制酸式滴定管1/3處,底端裝滿玻璃棉,排除氣泡,用玻璃管連通離子交換器,接入收集去離子水的燒杯③。

3 實驗操作與現(xiàn)象

3.1 水的凈化

組裝好凈水裝置,利用石英砂過濾體積較小的不溶性固體物質,再用明礬進一步凈化,使水中不溶性雜質沉淀,最后利用活性炭,除去水中的異味和色素。經(jīng)過沉降、過濾、吸附等操作,在U 型管中得到澄清、透明的液體。

3.2 自來水的制備

向U 型管中澄清、透明的液體里用注射器注入次氯酸鈣消毒劑,進行消毒滅菌,通過自制凈水裝置模擬自來水廠生產(chǎn)自來水過程,在燒杯①中收集自來水。

3.3 蒸餾水和去離子水的制備

蒸餾水的制備：U 型管中的自來水通過左側支管口進入二頸燒瓶,點燃酒精燈,進行蒸餾操作,水蒸氣經(jīng)過冷凝管冷卻,在燒杯②中收集蒸餾水。去離子水的制備：關閉燒杯①上方旋塞開關,自來水隨帶橡膠管的玻璃管流入陰陽離子交換柱,打開止水夾分別收集陰陽離子交換柱流出的陰離子水和陽離子水,陰陽離子水流入混合離子交換柱,得到去離子水,收集到燒杯③中。

3.4 硬水和軟水的檢驗

采用洗潔精定性檢驗水樣,向收集有不同水的①②③燒杯中加入等量洗潔精?？梢杂^察到燒杯①水中出現(xiàn)較多白色垢狀物且泡沫少,燒杯②③的水中幾乎沒有垢狀物且泡沫豐富。采用配位滴定法定量檢驗水樣,量取上述3 種水樣于錐形瓶中,加NH4Cl/NH3H2O緩沖液10mL,少量鉻黑T指示劑,用0.01mol/L的EDTA 標準液滴定,溶液由酒紅色變?yōu)榧兯{色即為終點,記錄EDTA 用量,平行測定3份。

4 實驗改進的優(yōu)點

本實驗設計不局限于教材中的水凈化的裝置,以問題為導向設計了水凈化的一系列實驗,具有以下優(yōu)點。

(1)采用整體優(yōu)化原則,將初中教材中的“水的凈化”實驗進行改進,整合凈水各個環(huán)節(jié),化繁為簡,讓學生真正體會到做中學的樂趣,激發(fā)學生對水凈化的探究興趣,提高學生實踐能力與創(chuàng)新意識。

(2)本實驗的創(chuàng)新設計亮點在于實驗裝置的組合改進,將水的凈化和硬水軟化、檢驗組合為一體,相對于兩步操作節(jié)約了實驗時間且實驗操作易控制。讓學生在一套裝置中制取自來水、蒸餾水、去離子水,同時可以學習多種凈化水的方法,如沉降、過濾、吸附、蒸餾,離子交換法,針對不同目的采用不同凈化方法,取得不同的凈化效果,最后從水的凈化定量的角度來區(qū)分硬水、軟水。通過實驗探究,提高學生的觀察能力、思考能力,不斷引導學生將所學化學知識應用到實際生活中解決問題。

(3)水是學生最常接觸的物質,通過實驗探究學習水的凈化,體現(xiàn)了化學、技術、社會和環(huán)境的相互聯(lián)系,同時讓學生意識到水在生活中的重要性,樹立保護水資源,節(jié)約用水的習慣。