西北師范大學(xué)教育學(xué)院(730070) 李娜娜

1 問題的提出

水是學(xué)生熟悉的物質(zhì),生活中亦不乏凈化水的實(shí)例,但學(xué)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(dú)實(shí)驗(yàn)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(xué)生對水的凈化知識只停留在感性的認(rèn)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(shè)計(jì)出一體化水的凈化實(shí)驗(yàn)裝置,通過探究制取自來水、蒸餾水、去離子水實(shí)驗(yàn),改變以往以講授實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)為主的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1)通過改進(jìn)“水的凈化”實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生在真實(shí)的問題情境下,結(jié)合小組合作學(xué)習(xí)的方式,共同探究水凈化的材料、原理、方法。

(2)讓學(xué)生在一體化的實(shí)驗(yàn)裝置中學(xué)習(xí)沉淀、過濾、吸附、蒸餾及硬水軟化的方法與原理,形成有關(guān)凈水的一體化知識體系。

(3)通過水的凈化改進(jìn)實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生懂得水凈化不僅是科學(xué)問題,而且與環(huán)境、社會息息相關(guān),提高學(xué)生節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的意識。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)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(xì)菌、病毒、有機(jī)物、溶解性的無機(jī)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。活性炭凈水的原理是由于其表面積大、內(nèi)部孔隙多,具有很強(qiáng)的吸附作用,通過表面的毛細(xì)管孔將水中的異味、色素、有害物質(zhì)除去,屬于物理吸附過程。

2.3 實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)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(zhì),再用明礬進(jìn)一步凈化,使水中不溶性雜質(zhì)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(jìn)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(cè)支管口進(jìn)入二頸燒瓶,點(diǎn)燃酒精燈,進(jìn)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(guān)閉燒杯①上方旋塞開關(guān),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(yàn)

采用洗潔精定性檢驗(yàn)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(yàn)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(biāo)準(zhǔn)液滴定,溶液由酒紅色變?yōu)榧兯{(lán)色即為終點(diǎn),記錄EDTA 用量,平行測定3份。

4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不局限于教材中的水凈化的裝置,以問題為導(dǎo)向設(shè)計(jì)了水凈化的一系列實(shí)驗(yàn),具有以下優(yōu)點(diǎn)。

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

(2)本實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)亮點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)裝置的組合改進(jìn),將水的凈化和硬水軟化、檢驗(yàn)組合為一體,相對于兩步操作節(jié)約了實(shí)驗(yàn)時間且實(shí)驗(yàn)操作易控制。讓學(xué)生在一套裝置中制取自來水、蒸餾水、去離子水,同時可以學(xué)習(xí)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(shí)驗(yàn)探究,提高學(xué)生的觀察能力、思考能力,不斷引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)化學(xué)知識應(yīng)用到實(shí)際生活中解決問題。

(3)水是學(xué)生最常接觸的物質(zhì),通過實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí)水的凈化,體現(xiàn)了化學(xué)、技術(shù)、社會和環(huán)境的相互聯(lián)系,同時讓學(xué)生意識到水在生活中的重要性,樹立保護(hù)水資源,節(jié)約用水的習(xí)慣。