紀(jì)艷蘋 王明召

摘 要 魯科版高中化學(xué)新教材在“化學(xué)與生活”模塊中涉及從各種途徑獲取生活飲用水,在“化學(xué)與技術(shù)”模塊中詳細(xì)介紹氯堿工業(yè)。以此為切入點(diǎn),編寫這篇介紹離子水知識(shí)的學(xué)生閱讀材料,供一線高中化學(xué)教師選用。

關(guān)鍵詞 高中化學(xué);閱讀材料;離子水

中圖分類號(hào):G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1671-489X(2009)27-0024-02

Ionized Water: One Reading Material for Senior Chemistry under New Curriculum Standard//Ji Yanping, Wang Mingzhao

Abstract One reading material based on the New Curriculum Standard of senior chemistry was presented in this paper for senior students, to introduce the knowledge of ionized water.

Key words senior chemistry; reading material; ionized water

Authors address College of Chemistry, Beijing Normal University, Beijing, 100875, China

水對(duì)于人類的生存和發(fā)展具有重要意義。根據(jù)世界衛(wèi)生組織最近公布的資料,80%的人類疾病與水有關(guān),33%死亡人群的死因與水有關(guān)[1]。為了人類的健康、生存和發(fā)展,人們一直在尋求健康、安全的飲用水。此外,隨著人類生活水平的提高,高效、快速、簡(jiǎn)便及對(duì)人體無毒副作用的滅菌消毒技術(shù)成為生命科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向之一。離子水(又稱離子功能水)是酸性離子水和堿性離子水的總稱,具有獨(dú)特的功效,有望滿足這些要求。

1 離子水的分類及制備

1.1 分類及功能根據(jù)酸堿度,離子水可分為不同的種類,具有不同的功效,如表1所示[2]。

1.2 制備[3,4]普遍使用兩槽隔膜式電解槽來制備離子水,在陰極室生成酸性離子水,陽(yáng)極室生成堿性離子水。該法對(duì)食鹽的濃度要求比較嚴(yán)格,不能連續(xù)生產(chǎn),且陽(yáng)極附近產(chǎn)生的酸性氧化電勢(shì)水容易透過陽(yáng)膜滲透到陰極附近,因此效率低。三槽隔膜式電解槽可以克服以上缺點(diǎn),是一種高效、可連續(xù)生產(chǎn)的制備裝置,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。三槽隔膜式電解槽由陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜將整個(gè)容器隔成三槽,分別為中間區(qū)、陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)。

中間區(qū)一般充有0.01%NaCl或0.002 mol·L-1NaOH溶液,兩邊為自來水。當(dāng)兩極加上直流電壓時(shí),陽(yáng)極以析氯反應(yīng)和析氧反應(yīng)為主,陰極以析氫反應(yīng)為主,溶液中以氯的水解和次氯酸的解離為主。

在電場(chǎng)作用下,氯離子通過陰離子交換膜進(jìn)入陽(yáng)極區(qū),發(fā)生如下反應(yīng):

2Cl^-→Cl₂↑+2e

2H₂2O→O₂↑+4H++4e

Cl^-+H₂O→HClO+H⁺+2e

Cl^-+2H₂O→HClO₂+3H++4e

Cl^-+3H₂O→ClO₃^-+6H⁺+6e

HClO+H₂O→HClO₂+2H++2e

HClO₂+H₂O→ClO₃^-+3H++2e

2H₂O→H₂O₂+2H⁺+2e

O₂+H₂O→O₃↑+2H++2e

在陽(yáng)極區(qū),水生成氧氣和氫離子,氯離子生成氯氣。氯氣和水反應(yīng)生成次氯酸和鹽酸,使溶液呈酸性,有效氯濃度達(dá)到(20～60)×10^-6mg·L^-1,溶解氧(DO:10 mg·L^-1～50 mg·L^-1)和氧化還原電勢(shì)(ORP≥1 100 mV)升高,從而具有殺菌作用。這種水叫強(qiáng)酸性離子功能水。

與此同時(shí),Na+離子通過陽(yáng)離子交換膜到陰極區(qū),發(fā)生如下反應(yīng):

2H₂O+2e→2OH^-+H₂↑

ClO^-+H₂O+2e→Cl^-+2OH^-

HClO₂+H₂O→ClO₃^-+3H++2e

2H₂O→H₂O₂+2H⁺+2e

O₂+H₂O→O₃↑+2H⁺+2e

在陰極區(qū),水生成氫氣和氫氧根離子,氫氣和溶解氧發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致DO值和ORP值顯著下降(DO約為8 mg·L^-1,ORP為-865 mV±25 mV),溶液呈堿性(pH值為11.5±0.2)。這種水叫堿性離子功能水。

中間區(qū)溶液中的反應(yīng)如下:

Cl₂+H₂O→HClO+Cl^-+H⁺

HClO→ClO^-+H⁺

2HClO+ClO^-→ClO₃^-+2Cl^-+2H⁺

2ClO-→O₂↑+2Cl^-

2 強(qiáng)酸性離子水

強(qiáng)酸性離子水的pH值在2～2.7左右,OPR值約為1 100 mV,它能強(qiáng)烈抑制細(xì)菌繁殖,迅速滅活細(xì)菌、病毒等病源微生物,是一種具有極廣泛應(yīng)用前景的殺菌消毒劑。它對(duì)人體無毒性作用,無刺激性、無副作用、無蓄積毒性,廣泛應(yīng)用在醫(yī)療器械消毒、日常生活用品消毒、食品加工等領(lǐng)域。它的pH、ORP等特性受光照、攪拌、封裝條件的影響[5],需密閉避光保存。在密閉避光條件下能貯藏1年以上[6]。

通常認(rèn)為強(qiáng)酸性離子水的殺菌功能是通過以下3方面作用實(shí)現(xiàn)的。

1)pH的作用。一般微生物的生存pH值為3～11。高濃度的H+引起菌體表面的蛋白質(zhì)和核酸水解,改變細(xì)胞膜的電荷,進(jìn)而影響菌體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收[7]。細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖還離不開酶的作用,絕大多數(shù)酶發(fā)揮作用的pH值范圍很窄,較低的pH值大大抑制細(xì)胞的酶活力,引起代謝紊亂,最終導(dǎo)致菌體死亡[8]。

2)氧化還原電勢(shì)的作用。細(xì)胞內(nèi)外兩側(cè)具有一定的電勢(shì)差,稱為膜電勢(shì)。一般細(xì)菌的細(xì)胞膜能耐受的電勢(shì)為960 mV,由于細(xì)胞膜附近脂肪會(huì)抵消一部分電勢(shì),通常只要有1 000 mV的氧化還原電勢(shì)就會(huì)馬上導(dǎo)致微生物細(xì)胞膜破裂,引起微生物死亡[8]。酸性離子水的高氧化還原電勢(shì)環(huán)境影響微生物細(xì)胞膜電勢(shì),從而影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和廢棄物的輸送功能。

3)有效氯的作用。有效氯指強(qiáng)酸性離子水中HClO、C12和C1O-等含氯化合物的總量。酸性離子水中含氯化合物主要為前2種物質(zhì)。次氯酸分子量小,不帶電荷,容易進(jìn)入細(xì)胞,可以氧化細(xì)胞膜和細(xì)胞組織的蛋白質(zhì)[9],它分解形成的新生態(tài)氧也會(huì)將菌體蛋白質(zhì)氧化,2種作用使細(xì)胞及細(xì)菌死亡。氯分子則是通過對(duì)菌體蛋白質(zhì)的氯化而起作用。

3 弱堿性離子水[10]

弱堿性離子水的pH值在7.5～9.5左右。健康人體液pH值為7.4左右,血液pH值為7.35左右,腸液也為弱堿性。常飲弱堿性離子水能中和體內(nèi)有害的酸性代謝產(chǎn)物,糾正肌體偏酸狀態(tài),保持健康體魄。

自由基(也稱游離基)是含有一個(gè)單電子的原子或原子團(tuán)。由于存在單電子,自由基具有從其他物質(zhì)獲取一個(gè)電子,形成穩(wěn)定物質(zhì)的強(qiáng)烈傾向,會(huì)對(duì)機(jī)體中細(xì)胞或者運(yùn)動(dòng)能力產(chǎn)生損害。弱堿性離子水具有低還原電勢(shì)(OPR值為-250 mV～-350 mV),它可以提供大量電子給自由基使其變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài),消除體內(nèi)過多自由基。

弱堿性離子水中,6～7個(gè)水分子締合成環(huán)型小分子團(tuán)(如圖2所示),與人體細(xì)胞結(jié)構(gòu)水相似。這種水極易進(jìn)出細(xì)胞,滲透力強(qiáng),溶解度高,與細(xì)胞親和性好,可加速人體新陳代謝,使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)很快被吸收并迅速循環(huán)[11]。

作為飲用水,弱堿性離子水的飲用安全性引人關(guān)注,尤其應(yīng)特別關(guān)注長(zhǎng)期飲用弱堿性離子水是否會(huì)使人體發(fā)生脫水與電解質(zhì)丟失[12]。王豫廉等人指出,長(zhǎng)期飲用弱堿性離子水的人電解質(zhì)無明顯異常改變,肝、腎功能無不良變化[13]。

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