介绍一个与水质检测相关的生活化学实验.pdf

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1、I S S N l 6 7 2 4 3 0 5 C N l 2 一1 3 5 2 N 实验室科学 L A B O R A T O R YS C I E N C E 第2 0 卷第2 期2 0 1 7 年4 月 V 0 1 2 0 N o 2 A p r 2 0 1 7 介绍一个与水质检测相关的生活化学实验 黄微，刘卫，汪红蕾，郭林华 ( 中国科学技术大学化学实验教学中心，安徽合肥2 3 0 0 2 6 ) 摘要：“无机及分析化学实验”作为中国科学技术大学生命科学学院学生的第一门基础实 验课程，起着承上启下的作用。介绍了在该课程中引入与生活相关的设计型实验的教学方法， 并结合“水质检测”这一具体

2、教学案例对该类实验的实施与应用进行了阐述，对教学效果进 行了初步探讨。这一类生活化学设计型实验的开设，有利于提高学生实验兴趣，促使学生运 用所学化学知识来解决与社会生活相关的问题。 关键词：无机及分析化学实验；生活化学实验；水质检测 中图分类号：0 6 3 1文献标识码：A d o i ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 2 4 3 0 5 2 0 1 7 0 2 0 1 0 I n t r o d u c eal i f e 。r e l a t e dc h e m i c a le x p e r i m e n ta b o u tt h ed e t e c t

3、 i o no fw a t e rq u a l i t y H U A N GW e i ，L I UW e i ，W A N GH o n g l e i ，G U OL i n h u a ( C h e m i s t r yE x p e r i m e n tT e a c h i n gC e n t e r ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yo fC h i n a ，H e f e i2 3 0 0 2 6 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：I n o r g a

4、 n i ca n da n a l ”i c a lc h e m i s t r ye x p e r i m e n t ”i s ab a s i ce x p e r i m e n tc o u r s ef o rt h e s t u d e n t sm a j o r i n gi nb i o l o g yi nU S T C ，w h i c hp l a y sac o n n e c t i n gr o l eo nt h es u c c e s s i v ec o u r s e s I nt h i s p a p e r ，w ee x p l o r

5、 e dt h et e a c h i n gm e t h o do ft h ei n t r o d u c i n go fc h e m i c a le x p e r i m e n t sr e l a t e dt ol i f e T h e e x p e r i m e n to f “t h ed e t e c t i o no fw a t e rq u a l i t y ”w a sa l s oi l l u s t r a t e di nt h i sp a p e r T h et e a c h i n gp r o c e s s a n de

6、f f e c t sw e r ea l s op r e l i m i n a r i l yi n v e s t i g a t e d T h eo p e n i n go ft h ec h e m i c a le x p e r i m e n t sr e l a t e dt ol i f e i sb e n e f i c i a lt oe n h a n c es t u d e n t s i n t e r e s ti ne x p e r i m e n t ，w h i c hw i l lf u r t h e ru r g es t u d e n

7、 t st ou s et h e i r k n o w l e d g et os o l v et h ep r o b l e m sr e l a t e dt os o c i a ll i f e K e yw o r d s ：i n o r g a n i ca n da n a l y t i c a lc h e m i s t r ye x p e r i m e n t ；c h e m i c a le x p e r i m e n t sr e l a t e dt ol i f e ；d e t e c t i o no fw a t e rq u a l i

8、 t y “无机及分析化学实验”是中国科学技术大学 面向生命科学学院的一年级本科生所开设的一门基 础实验必修课程，授课学时8 0 ，共2 学分。作为生 命科学学院学生进入高校后的第一门实验课，它既 为学生学习实验基本技能提供了启蒙教育，又为学 生深人贯通专业课程、探索生命科学未知领域提供 了必要保证。但在教学实践中我们发现，与“普通 生物学实验”、“微生物实验”等与生命科学专业直 接关联的实验课程相比，“无机及分析化学实验”这 基金项目：安徽省重大教学改革项目( 项目编号： 2 0 1 3 z y t z 0 0 3 ) ；安徽省教学研究项目( 项目编 号：2 0 1 5 j y x m 0

9、1 7 ) ；安徽省教学团队项目( 项 目编号：2 0 1 6 j x t d l 3 4 ) ；中国科学技术大学本 科教学研究项目( 项目编号：2 0 1 6 j y x m 0 2 7 ) 。 门非专业课程处于较为弱势的地位，部分学生对其 重视程度不够，实验兴趣不浓厚。如何开设好这门 课，提升学生兴趣，提高教学效果，不仅取决于教师 的业务素质，还取决于教学内容和教学方法的变 革。2J 。近年来，笔者所在的无机及分析化学实验 课程组在教学上进行了一些尝试，开设了一些与社 会热点问题相关的设计型生活化学实验，并将实验 的主动权交给学生，即在学期中期，授课教师结合社 会生活热点，向学生提出3 4

10、 个与之相关的备选实 验项目，并对每个项目的背景和要求作简要介绍，学 生根据兴趣选择项目并分组，以小组为单位( 4 人 组) 分工查阅文献、提出实验方案并与授课教师讨 论、实施实验、撰写科技小论文。其中，实验实施安 排在课程最后一周，实验室实行全天开放，教师全程 指导。通过开设设计型生活化学实验，学生不仅能 万方数据 黄微，等：介绍一个与水质检测相关的生活化学实验3 3 够运用所学知识来解决与化学相关的社会热点问 题，体验化学在人类生活、科技等方面的重要作用， 领悟化学的魅力；还完成了从资料查阅到论文撰写 的全过程，较为完整地进行了一次简单的科研实践， 求知欲和实验积极性均得到较好提升。本文以

11、“水 质检测”这一与社会生活密切相关的实验项目为 例，对该实验的教学过程进行介绍，在此与教育同行 交流。 1 实验背景 水是大自然赋予人类的宝贵财富，是一切生命 活动的源泉，是人类赖以生存和发展所不可或缺的 宝贵资源。但是随着社会的高速发展，饮用水的安 全问题日趋严重o3 | 。华北六省地下水污染事件风 波未止，瓶装水质量门事件又起波澜。于是乎，人们 不禁要问，什么样的水才算安全? 如何对水质进行 检测? 其检测指标又是什么? 为此，我们向学生提 出了与日常生活息息相关的“水质检测”这一实验 主题以及几项主要检测指标，学生课后查阅资料、设 计实验方案、在教师指导下实施实验、撰写科技小 论文。

12、2 实验目的 ( 1 ) 了解水污染的危害，科学认识饮用水； ( 2 ) 了解国标生活饮用水卫生标准( G B 5 7 4 9 - 2 0 0 6 ) 、生活饮用水卫生标准检验方法( G B T 5 7 5 0 2 0 0 6 ) 相关内容； ( 3 ) 学习检测水质的常见方法； ( 4 ) 学习水的酸碱度、溶解性固体总量、化学耗 氧量、总硬度的测定方法。 3实验原理 3 1 水的p H 值测定 采用酸度计测定水的p H 值。 3 2 水的溶解性固体总量的测定 水的溶解性固体总量( T o t a lD i s s o l v e dS o l i d s ，简 写为T D S ) 是指1 L

13、 水中所含有的可溶性固体的量， 单位为m g L 。常通过测定水的电导率值来间接 反映T D S 。一般来说，水中溶解物越多，水的T D S 值就越大，其电导率值也越高，说明水质越差。 3 3 水的化学耗氧量测定 化学耗氧量( C h e m i c a lO x y g e nD e m a n d ，简写为 C O D ) 是指在一定条件下，用强氧化剂处理水样时所 消耗氧化剂的量，以O ：的量来表示，单位为 m g L 。C O D 值反映了水中受到有机物、亚硝酸 盐等还原性物质污染的程度，是检验水体是否污染 的一项重要综合指标 4 。 目前我国生活饮用水中C O D 的测定与评价是 按照

14、由卫生部和中国国家标准化管理委员会联合发 布的生活饮用水卫生标准( G B5 7 4 9 2 0 0 6 ) 和 生活饮用水卫生标准检验方法( G B T 5 7 5 0 2 0 0 6 ) 进行的，于2 0 0 7 年7 月1 日正式实施口巧 。 根据标准规定，采用高锰酸钾滴定法检测水体的 C O D 值H 。，原理如下： 在酸性条件下，先向水样中加入过量的高锰酸 钾( K M n O 。) 标准溶液V 1m L ，加热使其充分反应，方 程式如下： 4 K M n 0 4 + 6 H 2 S 0 4 + 5 C = _ 2 K 2 S 0 4 + 4 M n S 0 4 + 6 H 2 0

15、+ 5 C 0 2 上式中，C 泛指水中的还原性物质或耗氧物质， 主要为有机物。 再向溶液中加入过量的草酸钠( N a ：C ：0 。) 标准 溶液( K 。c 吼m L ) 还原多余的K M n O 。，剩余的 N a ：C ：O 。再用K M n O 。标准溶液进行返滴定，消耗 屹m L 的K M n 0 4 ，方程式如下： 2 K M n 0 4 + 5 N a 2 C 2 0 4 + 8 H 2 S 0 4 5 N a 2 S 0 4 + K 2 S 0 4 + 2 M n S 0 4 + 1 0 C 0 2 + 8 H 2 0 根据上述化学反应及计量关系，得到C O D 的计 算公式

16、： 气l E q - c I O , t n 0 4 ( K + 屹) 舢4 c N a 2 c 2 0 4 x 2 0 4 3 2 ( 1 ) x 1 0 3 0 = 彘一 3 4 水的总硬度测定 水的总硬度是指水中钙离子和镁离子的总浓 度。我国生活饮用水卫生标准( G B5 7 4 9 2 0 0 6 ) 规定总硬度( 以碳酸钙计) 不得超过4 5 0 m g L 。 乙二胺四乙酸二钠( E D T A ) 滴定法测定水的总硬度 是国内外通用的标准分析方法旧1 ，适用于生活饮用 水、锅炉用水、地下水等，其原理如下： 用E D T A 标准溶液滴定C a “、M 9 2 + 总量，常以铬 黑

17、T 为指示剂( 记为I n ) ，在p H 一1 0 的N H 3 - - N H 。C 1 缓冲溶液中进行。在化学计量点之前，M 9 2 + 与游离 的I n 2 一形成酒红色络合物M g l n 。当用E D T A 滴定 时，E D T A 先与c a 2 + 络合，再与M 9 2 + 络合。到达化学 计量点时，E D T A 夺取M g l n 中的M g “，释放出游离 的I n 2 。，而使溶液呈现纯蓝色J 。反应方程式以及 反应所生成络合物的稳定常数刚见表1 所示。 计算水的总硬度公式为： 水的总硬度( m g L - 1 ) = C E D T A X V E D T 了A X

18、 二M - c a c 0 3 x 1 0 0 0 万方数据 衰验 室 科 学 表1 水的总硬度测定所涉及反应方程式及络合物稳定常数 5 3 水的化学耗氧量测定 4 仪器药品 仪器：P H S 一3 F 型p H 计( 上海仪电科学仪器股 份有限公司) ，T M - 0 3 笔形T D S 仪( 上海仪电科学 仪器股份有限公司) ，滴定管，移液管，锥形瓶，洗 瓶。 药品：磷酸缓冲液，E T D A 标准溶液( O 0 1m o l L 。1 ) ，铬黑T ，N H ，一N H 4 C 1 缓冲溶液( p H 一1 0 ) ， K M n O 。标准溶液( o 0 2m o l L 叫) ，1

19、：3H 2 s O 。( 体积 比) ，N a ：C ：O 。标准溶液( 0 0 0 5m o l L 。1 ) ，去离子 水，水样( 学生自备) 。 5 实验内容 5 1 水的p H 值测定 ( 1 ) 打开p H 计电源开关，预热3 0 分钟； ( 2 ) 设置温度，采用二点标定法用标准磷酸缓 冲溶液对电极进行校正； ( 3 ) 用待测水样润洗电极3 次后即可测量，待 示数稳定后，读取并记录数值。平行测定三次，取平 均值，并与生活饮用水卫生标准( G B5 7 4 9 - 2 0 0 6 ) 的数据进行比较，判断该水样的p H 值是否符合生 活饮用水的卫生标准； ( 4 ) 测定结束后，用

20、去离子水洗净电极，套上带 有保护液的护套，防止干涸。 5 2 水的溶解性固体总量的测定 ( 1 ) 取下笔帽，打开T D S 笔开关； ( 2 ) 用待测水样润洗T D S 笔3 次后，将笔放人 待测样中至水位线，待示数稳定后，按H O L D 键锁 定数值，读取并记录数值。平行测定三次，取平均 值，并与生活饮用水卫生标准( G B5 7 4 9 2 0 0 6 ) 的 数据进行比较，判断该水样的溶解性固体总量是否 符合生活饮用水的卫生标准； ( 3 ) 测定结束后，用去离子水洗净探头，并用滤 纸吸干T D S 笔探头上残留的水，防止水垢覆盖T D S 探头，从而影响测试精度。 准确移取1 0

21、 0 m L 水样( 视水质污染程度而取适 量体积) ，置于2 5 0 m L 锥形瓶中，加入1 ：3 的H ：s O 。 溶液1 0 m L ，再加入1 0 0 0 m L 浓度为0 0 2m o l L 。的 K M n O 。标准溶液，快速加热至沸，并保持1 0 分钟( 精 确至秒) 。取下锥形瓶，趁热加入1 0 0 0 m L 浓度为 0 0 0 5m o l L 1 的N a ：c ：O 。标准溶液，摇匀，立即用 o 0 2m o l L 。1 的K M n O 。标准溶液滴定至溶液显微红 色且半分钟不褪色，即为滴定终点。平行测定三份， 计算水的C O D 值，以O ：m g L 。

22、1 表示，并与生活饮 用水卫生标准( G B5 7 4 9 - 2 0 0 6 ) 的数据进行比较， 判断该水样的化学耗氧量是否符合生活饮用水的卫 生标准。 5 4 水的总硬度测定 准确移取1 0 0 m L 水样( 视水质硬度大小而取适 量体积) ，置于2 5 0 m L 锥形瓶中，加入5 m LN H ，一 N H 。C 1 缓冲液，4 滴铬黑T 指示剂，立即用 0 0 1m o l I 。的E D T A 标准溶液滴定至溶液由酒红 色变成纯蓝色即为终点。平行测定三份，计算水的 总硬度，以C a C O 。m g L q 表示，并与生活饮用水 卫生标准( G B5 7 4 9 2 0 0

23、6 ) 的数据进行比较，判断 该水样的总硬度是否符合生活饮用水的卫生标准。 6 实验讨论 本实验的研究对象为与人类生活息息相关的 水，学生综合运用所掌握的实验知识设计方案，对水 质进行初步检测。本实验所有水质样品均为学生自 带，包括自来水、矿泉水、巢湖水、中科大眼镜湖水 等。对于这类源于生活的实验项目，学生表现出很 强的好奇心和实验积极性，期待通过实验来解决和 生活相关的问题。实验结束后，学生根据实验结果 撰写科技小论文，并在实验背景部分详细介绍了水 质检测的意义及国内外相关技术的发展趋势、饮用 水种类、软硬水以及耗氧量与水质之间的关系等 等，作为该实验项目的扩展与补充。根据实验，学生 总结出

24、以下注意事项。 6 1 水的化学耗氧量测定 ( 1 ) 水样C O D 的测定受到所加入的氧化剂种 类及浓度、反应时间、温度、以及溶液酸碱度等因素 影响，因此在进行C O D 测定时，须严格按操作步骤 进行1 1 1 ； ( 2 ) 除了可采用酸性高锰酸钾滴定法测定C O D 值外，还可采用重铬酸钾法( 适用于废水体系) 引、以 及碱性高锰酸钾法( 适用于高氯体系，如海水) u 纠等。 万方数据 黄微，等：介绍一个与水质检测相关的生活化学实验3 5 6 2 水的总硬度测定 ( 1 ) 由于铬黑T 与C a 2 + 的络合较弱，所呈颜色 不明显，不易作为c a 2 + 的指示剂，故当水样中M 9

25、 2 + 含量较低时，用铬黑T 做指示剂常导致终点变色不 敏锐，故可在加入铬黑T 之前，在待测液中加人适 量M g E D T A 溶液，利用置换滴定法的原理来提高 终点变色的敏锐性； ( 2 ) 为防止在碱性溶液中析出氢氧化镁沉淀， 故在加入氨性缓冲液后应立即滴定，开始时滴定速 度宜稍快，接近终点时宜稍慢 9 。 7 结语 在“无机与分析化学实验”课程的后期安排一些 与生活相关的设计型实验，一方面是考虑到经过一学 期较为系统的实验学习，学生已掌握了基本的实验技 能以及仪器操作方法，知识较为完备、全面，有利于实 验方案的设计，并且他们也期待通过实验现象和实验 数据来验证自行设计方案的合理性，因

26、此学生对于问 题的发现、分析和解决均表现出较强的欲望；另一方 面，在课程中引入与生活相关的化学实验，可以促使 学生运用所学的化学知识来解决与化学相关的生活 和生命问题，认识与领悟化学与社会生活的联系，体 会从生活走向化学，从化学走向社会的乐趣。 参考文献( R e f e r e n c e s ) ： 1 舒乐新，苗戎，杨琳，等改革生物化学实验教学，提高实验教学 质量J 实验室科学2 0 1 3 ，1 6 ( 5 ) ：5 3 5 5 2 洪军，胡建业，王福梅基于创新型人才培养的开放性实验教学 在生物专业的实践 J 实验室科学，2 0 1 3 ，1 6 ( 1 ) ：7 1 7 3 3 陈飞

27、，王罗春，武文燕2 0 0 6 - 2 0 1 2 年中国城市水源地突发性水 污染事件的统计分析 J 上海电力学院学报，2 0 1 4 ，3 0 ( 1 ) ：6 2 - 7 0 4 金维平，鲍锦磊，范晓远，等C O D 测定方法的实验教学改进 J 实验室科学，2 0 1 3 ，1 6 ( 5 ) ：2 9 3 1 5 中国人民共和国卫生部G B T5 7 5 0 - 2 0 0 6 生活饮用水标准检 验方法 S 北京：国家标准化管理委员会，2 0 0 6 6 中国人民共和国卫生部G B5 7 4 9 - 2 0 0 6 生活饮用水卫生标准 s 北京：国家标准化管理委员会, 2 0 0 6 7

28、 王升富，周立群无机及分析化学实验【M 北京：科学出版社， 2 0 0 9 ：1 8 7 - 1 9 0 8 刘淑珍，白广梅，陈永宝，等饮用水实验一一推荐一个针对非 化学专业的生活化学实验 J 大学化学，2 0 1 5 ，3 0 ( 6 ) ：5 3 - 5 6 9 李金厚，石建新，邹小勇基础化学实验 M 2 版北京：科学出 版社，2 0 1 5 ：1 8 1 - 1 8 5 1 0 武汉大学主编分析化学( 上册) M 5 版北京：高等教育出 版社，2 0 0 6 ：3 9 3 - 3 9 7 1 1 李琰，仓书华，杨胜琴，等关于生活饮用水耗氧量测定影响因 素的几点讨论 J 中国卫生检验杂志，

29、2 0 1 3 ，2 3 ( 6 ) ：1 6 0 9 - 1 6 1 0 1 2 温淑瑶，马占青，高晓飞，等重铬酸钾法测定C O D 存在问题 及改进研究进展 J 实验技术与管理，2 0 1 0 ，2 7 ( 1 ) ：4 3 4 6 1 3 中国人民共和国卫生部G B1 7 3 7 8 4 3 2 2 0 0 7 化学需氧量一 碱性高锰酸钾法 S 北京：国家标准化管理委员会，2 0 0 7 收稿日期：2 0 1 6 0 9 1 9 修改日期：2 0 1 6 1 0 - 2 2 作者简介：黄微( 1 9 8 2 一) ，女，福建龙岩人，博士，高级实验 师，主要研究方向为实验教学与管理。 o

30、- = o o o o o o o o o 9 ( 上接第3 1 页) 尽可能选择用毛巾擦干或者自然晾干，如果必需使 用电吹风用热风吹干，应当尽量减少使用的时间。 在使用直板夹的过程中应酌情减少对同一部位的头 发来回熨夹，尽可能降低局部的温度。外出时，如果 暴露于阳光下的时间较长，那么应该通过遮阳伞或 者防晒帽等防护装备对头发进行保护。本文所利用 的实验仪器与实验方法常见于大学物理实验室，因 此适合在实验教学中将本题目作为研究设计性的实 验项目开设。 参考文献( R e f e r e n c e s ) ： 1 巴华杰，林子清，李树，等人类毛发的法医学检验研究进展 J 广东公安科技，2 0

31、0 7 ( 4 ) ：1 5 1 7 ，2 7 2 尹兴平，石继海，夏隆庆不同年龄成人头发的变化 J 中华皮 肤科杂志，2 0 0 6 ，3 9 ( 3 ) ：1 6 1 1 6 3 33杨小林，席焕久，温有锋，等人类毛发的形态学研究及法医学 意义 J 解剖科学进展，2 0 1 1 ，1 7 ( 1 ) ：8 6 8 9 4 秦俊法，郑启荣，楼蔓藤。等头发检测与疑难瘸诊断fJ 广东 5 6 7 8 9 1 0 微量元素科学，2 0 0 9 ，1 6 ( 1 0 ) ：1 1 9 周兴文，郭晓华试论人体毛发特性及其在进化中的意义 J 生物学教学，2 0 0 8 ，3 3 ( 9 ) ：7 9 8

32、 0 孙晓蓉理化因素对头发影响作用的研究方法与现状【J 日用 化学工业，1 9 9 8 ，8 ( 4 ) ：4 卜“ 林琳，沈淦清拉伸一定形处理对人发强伸性能的影响 J 毛纺 科技，2 0 0 3 ( 3 ) ：1 0 一1 3 盛友渔，杨勤萍，石建高，等汉族青年头发物理化学特性的初 步研究 J 中国临床医学，2 0 0 8 ，1 5 ( 5 ) ：7 3 2 7 3 4 曹蕾，范卫新，王磊烫发和染发对头发的损害及护发素对其修 护作用 J 临床皮肤科杂志，2 0 0 8 , 3 7 ( 6 ) ：3 5 1 3 5 3 周笑辉，汪静，刘伟，等毛发的形态结构及其拉伸性能 J 物 理实验，2 0 1 1 ，3 1 ( 6 ) ：3 6 3 9 高飞，金锡鹏物理性因素对头发的影响 J 日用化学品科 学，2 0 0 0 ( 4 ) ：6 - 7 收稿日期：2 0 1 6 - 0 6 2 0 修改日期：2 0 1 6 - 0 7 - 2 8 作者简介：迟建卫( 1 9 7 6 一) ，男，辽宁大连人，硕士，高级实验 师，主要研究方向为物理实验教学和光学工程。 万方数据