張靈麗 黃丹

摘要：在初中實驗教學(xué)中，引進傳感器，用數(shù)字化實驗來探究各種飲用水、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)字化實驗;飲用水;礦泉水;酸堿性;電導(dǎo)率

文章編號：1008-0546（2019）02-0093-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

一、問題的提出

水是生命之源，你對超市里琳瑯滿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？帶著這些問題，我們選了一些常見的飲用水，用數(shù)字化實驗進行實驗研究。數(shù)字化實驗是一種先進的實驗探究手段，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[1]。

二、實驗研究

1.實驗儀器和試劑

實驗儀器：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、皇家圣藍天然礦泉水。

2.實驗裝置

3.實驗內(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溶液中，用電爐給燒杯持續(xù)加熱，同時點擊采集，測定15℃-100℃范圍內(nèi)的溫度、電導(dǎo)率、pH數(shù)據(jù)。每次測量前，用蒸餾水洗滌傳感器探頭三次，再用待測液潤洗探頭三次。

三、實驗結(jié)果與分析

1.水樣數(shù)據(jù)匯總及分析

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

通過數(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)率相對大些。（3）隨著溫度的變化，飲用水的pH會變化，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。可能是促進水解所致。（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。

（說明：我們使用的傳感器是教學(xué)教育輔助器件，精確度達不到科研器件的要求，具體的數(shù)據(jù)因種種原因可能會有誤差，但我們的關(guān)注點不是具體的某一個數(shù)據(jù)的精確性，而是變化趨勢和對比度，變化趨勢和對比度是清晰可見的。）

2.空白實驗——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，pH為7.27，溫度在25℃時，pH為7.02，溫度在90℃時，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K_W=c（H⁺）·c（OH_-）=1.0×10^-14，所以25℃時，純水中c（H⁺）=c（OH_-）=1×10^-7mol/L，測出來的pH=7。本實驗的起始溫度17℃，比常溫低，水的電離程度變小，K_W變小，pH變大，PH>7;本實驗的最終溫度接近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，pH為7.22，溫度在25℃時，pH為7.02，溫度在98℃時，pH為6.38。數(shù)值、變化趨勢和蒸餾水很類似。

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，PH為7.19，溫度在98℃時，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)的總和的角度來看，說明農(nóng)夫山泉飲用水中礦物質(zhì)的含量比洞庭山要稍高一些。同時溫度的升高，溶液的電導(dǎo)率也是增大的。

5.皇家圣藍天然礦泉水的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，PH為6.54，溫度在96℃時，PH為7.96。隨著溫度的升高，鎂離子水解增強，PH減小，弱酸根離子水解增強，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)的總和來看，說明皇家圣藍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。從標簽上看出，它的鈣離子和鎂離子的含量遠遠高于天然飲用水、礦泉水等，曲線數(shù)據(jù)和標簽數(shù)據(jù)是一致的。

6.對比實驗——硫酸鈉溶液

皇家圣藍天然礦泉水，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？我們測定了1.0mol/L的硫酸鈉溶液的電導(dǎo)率，作為對比。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。可見，即使是礦泉水，其礦物質(zhì)的含量并不是很高，所以，想通過喝水來補充礦物質(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充水而已。

7.對比實驗——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驗來解釋比較。

實驗操作：用滴管取一滴剛切開的新鮮的檸檬汁，在2500mL的大燒杯中慢慢加水稀釋，直到加水至2500mL。用pH傳感器測pH變化，實驗現(xiàn)象：pH從3逐漸增大，無限接近7。圖像如下：

通過以上數(shù)據(jù)，可以得出，各種水樣的pH在7的上下浮動，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，對人體健康的影響都是微乎其微的，大可不必擔心。

四、結(jié)論

用數(shù)字化實驗研究水的結(jié)論是：首先，可以解決人們糾結(jié)的水的幾個參數(shù)：水溶液的酸堿性強弱、礦物質(zhì)含量的多少、價格、溫度升高對水溶液各種參數(shù)的影響等，從而指導(dǎo)人們理性地選擇飲用水。其次，通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，多數(shù)水的礦物質(zhì)含量和酸堿性和標簽基本一致，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充水分。

參考文獻

[1]陳丹，劉補云.數(shù)字化手持技術(shù)在影響鹽類水解因素中的應(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.物理化學(xué)學(xué)習(xí)指導(dǎo)[M].北京：高等教育出版社，2007：361