明矾是常用的净水剂, 汶川大地震后, 有媒体报道山区灾民使用的净水剂主要是明矾, 在依照义务教育课程标准试验教科书化学九年级上册第53页“活动与探究”做明矾净水的实验时[1], 发现该实验存在实验时间长, 实验效果不明显的问题, 有人研究认为“明矾净水实验在于明矾的状态和质量太多的问题, 一般需要20min左右的时间”[2], 我们知道一堂课的时间大约是40min左右, 如果单这里就花费这么多的时间, 后面的教学任务根本就无法完成, 不利于课堂教学的连续性。
通过大量的调查和试验, 我们发现昆明市附近地区的天然水大多呈弱碱性, 而明矾净水的原理在于其水解产物氢氧化铝有很强的吸附性, 吸附水中的悬浮颗粒, 形成沉淀, 从而达到净水的目的。弱碱性、弱酸性环境不利于氢氧化铝的生成, 即不利于明矾的水解。采用单因素控制法找到明矾净水的最佳实验条件, 大大缩短了实验时间, 增强了实验效果, 为教师演示此实验提供了参考依据。
1 实验过程
1.1 实验材料
量筒10ml若干、烧杯若干100ml带刻度 (分别编号1、2、3、4、5) 、酸度计 (雷磁牌PHS—2F型) 、玻璃棒、明矾、研钵、电子天平 (感量0.1g) 、10%NaOH溶液、 (小苏打) NaHCO3饱和溶液、不同地点的天然水编号, 滇池海埂水样编号为一, 恐龙谷水样编号为二、嵩明青龙寺水样编号为三、盘龙江上游水样编号为四、人工配制泥沙水编号为五, 配制方法如下:取100克泥沙, 加入4000ml自来水, 充分搅拌, 静置待大颗粒沉淀后, 取上层悬浊液备用。评价因素:净水时间、浑浊度、沉淀量、PH值。
1.2 实验方法
1.2.1 明矾净化泥沙水实验
考虑到泥沙水无统一标准, 故采用100g泥沙加水4000ml, 静置, 待大颗粒沉淀后取上层悬浊液为实验室用泥沙水, 每次实验统一取100ml。
实验1:取编号为1、2、3、4、5的烧杯, 各加入100ml编号为五的泥沙水, 测PH值。1、2、3中依次加入1.5g、1.5g、1.5g明矾, 5中不加, 做空白试验。充分搅拌, 待明矾完全溶解后, 烧杯1、2、3、4中各加入10%的NaOH溶液1.5ml、2.5ml、3.0ml、3.0ml, 结果如表1。
讨论: (1) 当明矾与NaOH的质量:体积为1.5g:15ml效果最好。 (2) 过量的NaOH会影响氢氧化铝的生成。 (3) 单独的NaOH溶液净水效果不好。
实验2:取编号为1、2、3、4、5的烧杯, 各加入100ml编号为五的泥沙水, 测PH值。在1、2、3烧杯中分别加入1.0g、1.5g、2.0g明矾, 搅拌后分别加入1.0ml、1.5ml、2.0ml的NaOH溶液, 结果如表2所示。
讨论: (1) 100ml水:1.5g明矾:1.5ml100%NaO H溶液净化分层时间最短。 (2) 浅黄色浑浊, 量多是否表明明矾过量呢?
实验3:取编号为1、2、3、4、5的烧杯, 各加入100ml编号为五的泥沙水, 测PH值。在1、2、3烧杯中分别加入0.1g、0.2g、0.3g、0.4g明矾, 搅拌后分别加入分别滴入4滴、8滴、12滴、16滴 (每毫升约为40滴) 10%的NaOH溶液, 搅拌, 静置, 结果如表4。
讨论: (1) 100ml水:0.4g明矾:0.4ml10%N aO H溶液净化费时最短, 沉淀较多。 (2) 100ml水:0.3g明矾:0.2ml10%N aOH溶液净化综合效果最好。 (3) 黄色沉淀量多是否表明明矾过量呢?
注:“——”表示5min未分层, 溶液呈浑浊, 未测PH值。
实验4:取编号为1、2、3、4、5的烧杯, 各加入100ml编号为五的泥沙水, 测PH值。在1、2、3、4烧杯中分别加入0.1g明矾, 搅拌后分别加入分别滴入3滴、4滴、5滴、6滴 (每毫升约为40滴) 10%的NaOH溶液, 搅拌, 静置结果如表4。
讨论: (1) 100ml水:0.1g明矾:0.075～0.1ml, 10%
NaOH溶液净化综合效果最好。
1.2.3 用明矾净化滇池水的实验
实验5:取编号为1、2、3、4、5的烧杯, 各加入500ml滇池海埂样品水, 测PH值, 在1、2、3、4烧杯中分别加入0.1g、0.2g、0.3g、04g明矾, 溶解后, 分别滴入4滴、8滴、12滴、16滴 (每毫升约为40滴) 10%的NaOH溶液, 搅
讨论: (1) 500ml水:0.3g明矾:0.3ml10%NaO H溶液净化分层时间最短。 (2) 由于下层为白绿色, 量多是否表明明矾过量呢?
实验6:取编号为1、2、3、4、5的烧杯, 各加入500ml滇池海埂样品水, 测PH值, 在1、2、3、4烧杯中分别加入0.1g明矾, 溶解后, 分别滴入4滴、8滴、12滴、16滴 (每毫升约为40滴) 10%的NaO H溶液, 搅拌, 静置, 结果如表6。
讨论: (1) 500ml水:0.1g明矾:0.3ml10%NaOH溶液净化效果最好。
2 用饱和小苏打水替代氢氧化钠净水
实验7:取编号为1、2、3、4、5的烧杯, 各加入100ml编号为五的泥沙水, 测PH值。在1、2、3、4烧杯中分别加入0.1g明矾, 搅拌后分别加入分别滴入8滴、12滴、16滴、24滴 (每毫升约为40滴) 饱和小苏打溶液, 搅拌, 静置, 结果如表7。
讨论: (1) 100ml水:0.1g明矾:0.3ml饱和小苏打溶液净化费时最短, 沉淀较少;
实验8:取编号为1、2、3、4、5的烧杯, 各加入500ml滇池海埂样品水, 测PH值, 在1、2、3、4烧杯中分别加入0.1g明矾, 溶解后, 分别滴入8滴、12滴、16滴、24滴 (每毫升约为40滴) 饱和小苏打溶液, 搅拌, 静置, 结果如表8。
讨论: (1) 滇池500ml水:0.1g明矾:0.3ml饱和小苏打溶液净化费时最短, 沉淀较少。
3 结果讨论
(1) 净水时间的快慢与明矾、N aO H的用量有关。NaOH的量过多、过少都不利于明矾的净水, 用明矾净泥沙水的最佳比值为:水 (ml) :明矾 (g) :10%NaOH (ml) 为100ml:0.1g:0.075～0.1ml (3～4滴) 。用明矾净滇池海埂水, 最佳比值为:水 (m l) :明矾 (g) :10%NaOH (ml) 为500ml:0.1g:0.3ml (8滴) 。 (2) 由于一般家庭中没有NaOH, 故在用明矾净水时可加入适量NaHCO3。如果不考虑净水时间, 0.1g明矾, 用10%NaOH溶液或饱和NaH CO3溶液调节, 其净水效果都很好。 (3) 由于各地泥沙成分不一, 配制出的泥沙水浑浊度不同, 本实验所用泥沙水越浑, 效果越好。 (4) 明矾用量不能多, 否则用NaHCO3溶液中和, 会产生二氧化碳气体, 不利于沉淀的生成。
4 注意事项
(1) 滇池水要明显浑浊, 如果蓝藻过多, 可用单层纱布过滤。 (2) 加入明矾充分溶解后, 再加NaOH和溶液, 搅拌3～5下, 即可。保持静置, 不要经常搅动, 否则不利于沉淀的形成。 (3) 同等情况下, 饱和NaHCO3溶液和10%NaOH溶液用量之比为1～2:1, 进行换算。 (4) 当量取的液体体积小于1ml时, 改用滴管量取, 本实验1ml液体大约为40滴。
摘要：义务教育课程标准试验教科书中关于明矾净水的实验, 存在实验时间长, 实验效果不明显的问题。通过大量的调查和试验, 我们发现昆明市附近地区的天然水大多呈弱碱性 (滇池水除外) , 而弱碱性和弱酸性环境不利于明矾的净水, 研究首次提供天然水 (泥沙水的配制方法) 的参考标准, 量化明矾净水用量, 采用单因素控制法找到明矾净水的最佳实验条件, 即:100ml人工配制泥沙水中, 加入0.1g明矾用0.075～0.1ml (3～4滴) 10%NaOH溶液调节酸碱度净化效果好;500ml滇池水中, 加入0.1～0.3g明矾用0.2ml (8滴) 10%NaOH溶液净化效果好;鉴于一般家庭中无氢氧化钠, 同等情况下建议用1～2倍的饱和小苏打水替代氢氧化钠。上述实验改进大大缩短了实验时间, 增强了实验效果, 为教师演示此实验提供了参考依据, 为灾民用明矾净水提供建议。
关键词：明矾,净水,实验改进
参考文献
[1] 课程教材研究所, 化学课程教材研究开发中心.义务教育课程标准实验教科书, 化学 (上册) (第一版) [M].昆明:云南人民教育出版社, 2007, 5:53.