水壺和暖水瓶水垢中鎘的定性檢測探究實驗設計

喬金鎖 郭彥青

摘要：水壺與暖水瓶水垢中含有害元素，一般沒有引起人們的重視。用硝酸提取水垢中的鎘，形成鎘試液。利用鑒定鎘的特效反應，設計了定性檢測水垢中鎘的探究實驗。結果表明：水垢中含有鎘。應防止水壺與暖水瓶中水垢的形成，建議最好能定期清除水垢。

關鍵詞：定性檢測鎘；實驗設計；實驗探究；清除水垢方法

文章編號：1005–6629（2016）4–0067–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 引言

水壺與暖水瓶是每個家庭和辦公室的必需用品。不少人擁有的水壺與暖水瓶使用了多年，壺與瓶中的水垢有不同程度的積累。水垢中除大部分為碳酸鈣、碳酸鎂外，還含有鎘、汞、鉛、砷等有害物質，很少有人會因此而清除水垢。如果不經常清除水垢，反復用來燒水、裝水，有害元素積累會越來越多，并能再次溶于水中，當人們飲用后就會進入人體。鎘可在人體內慢慢積累，潛伏期一般為2～8年，也可延長為10～30年。最初是受害者的腰、腿、腳以致全身關節疼痛，而后導致骨折、骨質軟化萎縮、全身神經痛、高血壓、腎炎及內分泌失調等病癥，最后導致死亡，醫學上稱為“骨痛病”。慢性鎘中毒還會影響人體正常的生育能力，并造成“陰盛陽衰”，嚴重危害人體健康[1]。水壺中的水垢在300～500g時，每燒開一壺水所需時間約需延長4～7min，這就大大增加了能耗[2]。通過對水壺與暖水瓶水垢中鎘的探究，可使學生體驗探究過程，掌握探究方法；明確水垢中確實含有有毒物質；用帶有水垢的壺燒水還會浪費能源。通過經常清除和預防水壺和暖水瓶中的水垢，進一步認識化學與生活的密切聯系，懂得學以致用的重要性。

2 探究目標

（1）知道水垢的主要成分，了解水垢中有毒物質對人體的危害。

（2）探究水垢中的鎘。

（3）體驗觀察、記錄、判斷、推理等科學方法在科學探究中的重要作用。

3 實驗用品

儀器：離心機、離心管、學生天平、玻璃棒、白色點滴板、滴管、燒杯（50mL、100mL）

試劑：6mol/L HNO3、1：1甘油、6mol/L NaOH、HCl（3mol/L、6mol/L）、50g/L硫代乙酰胺（TAA）、3mol/L NaAc

材料：濾紙、蒸餾水

試樣：當地水壺或暖水瓶中水垢（已干燥）

4 實驗原理

試液中加入1：1甘油和過量濃NaOH溶液，后離心分離，沉淀經稀甘油-堿溶液洗滌后，溶于3mol/L HCl中，用水稀釋試液至酸度為0.3mol/L，加TAA并于沸水浴上加熱，如有黃色沉淀（CdS）析出，表明有Cd2+ [3]。

5 探究活動

5.1 實驗方案

向一定量水垢中加入適量6mol/L HNO3，把鎘溶解出來，獲取試液。（實驗前思考或通過查閱資料，明確為什么用硝酸，而不用鹽酸？）

向試液中加入甘油和NaOH溶液，獲取Cd（OH）2沉淀；將沉淀洗滌、鹽酸溶解、加TAA并水浴加熱，把得到的沉淀與鎘的特效反應現象作對比觀察，判斷水垢中是否含有鎘[4]。

5.2 實驗步驟

5.2.1 試樣處理（獲取試液）

稱取已干燥的水壺或暖水瓶中水垢4g于100mL燒杯中，把6mol/L HNO3溶液6mL分3～4次加入燒杯中，充分反應后（可攪拌），把液體轉移到離心管中進行離心操作，最后可得到4mL清液（試液）。（體驗分多次加入水垢中硝酸的意義，以及每次加入硝酸后需要對反應現象進行仔細觀察、記錄、判斷）

5.2.2 實驗檢測

取2mL待測液于離心管中，加入甘油溶液（1：1）5～6滴，后滴加6mol/L NaOH至Cd（OH）2沉淀完全，充分振蕩，水浴加熱1min，離心沉降。沉淀以稀甘油-堿溶液（以6滴NaOH，4滴1：1甘油，10滴水配成）洗凈后，以3mol/L HCl數滴溶解，然后重新加入甘油-堿溶液，使Cd（OH）2再次析出，離心沉降，沉淀用3mol/L HCl 3滴溶解，加NaAc 4滴降低酸度，然后加TAA數滴并加熱。觀察離心管中發生的現象。（體驗觀察、記錄、判斷與推理對于探究的重要作用）

現象：離心管底有黃色沉淀生成（約1mg，所用水垢2g）。

結論：水垢中含有鎘。

該實驗的定性檢測限約為0.5mg/g。鎘使人中毒量是3～330mg，致死量為1.5～9g[5]。若水壺中有50～100g水垢，則水垢中含鎘約25～50mg。若每次燒水約有1/1000的鎘溶出，則一壺開水中含鎘約0.025～0.05mg，若一天喝半壺開水，則攝入鎘約0.013～0.025mg。僅憑該量不足以使人中毒。但鎘不是人體的必需元素，我們每天都要喝水，久而久之，鎘在人體內就會有一定程度的積累，并且我們日常消費各種食品也會有鎘的攝入。如鎘的國家標準分別是：鮮蛋、水果0.05mg/kg；面粉、淡水魚類、肉類、根莖類蔬菜0.1mg/kg；大米、豆類、食用菌、葉菜0.2mg/kg；花生、河蝦、河蟹、豬腎0.5mg/kg；淡水軟體類、豬肝1.0mg/kg[6]。日常食品中攝入鎘，我們大多無法避免，但清除壺中水垢，不僅可以減少鎘的攝入，還能降低燒水能耗。因此，為了健康、節能，我們應經常清除水壺和暖水瓶中的水垢。

5.3 思考與討論

（1）鎘的污染來源？

（2）自己家中的水壺和暖水瓶中水垢是否定期清除？為什么？

（3）已經形成的水垢如何清除呢？

（4）怎樣才能預防水垢的形成呢？

5.4 達成共識

5.4.1 鎘的環境分布和污染來源

地殼中鎘的豐度為20ppb，通常與鋅共生存。在Zn-Pb-Cu礦石中，含鎘濃度最高。所以，煉鋅過程是環境中鎘的主要來源。在冶煉Pb和Cu時也會排放出鎘。鎘的工業用途很廣，主要用于電鍍、增塑劑、顏料生產、Ni-Cd電池生產等。電鍍廠在更換鍍液時，常常將含鎘量高達2200mg/L的廢鍍液排入周圍水體中。另外，在磷肥、污泥和礦物燃料中也含有少量鎘。水體底泥對鎘雖然存在較強的吸附作用，但這種吸附作用不如汞，而且鎘化合物的溶解度比相應的汞化合物大，因而鎘在水中的遷移比汞容易[7]。

5.4.2 應定期清除水壺和暖水瓶中水垢

鑒于長期使用含有水垢的水壺和暖水瓶會給人體帶來危害，我們應引起重視，定期清除水垢。

5.4.3 去除暖水瓶中水垢方法

①在暖水瓶里倒入250g燒熱的醋，浸泡幾小時，中間可旋轉著搖晃，即可除去水垢[8，9]。

②夏天用濃米湯或面湯灌入暖水瓶中悶置幾天自然發酵變酸后，可除去水垢[10]。

③取一些茶葉放入暖水瓶中，倒進開水浸泡，晃動洗刷瓶膽，水垢可除去[11]。

④把小蘇打50g放入一杯熱水中溶解后，倒入瓶膽中搖動，可除去水垢[12]。

⑤把4～5個雞蛋殼搗碎，放入瓶膽內，再倒入半碗水，浸泡一會兒，上下搖晃可除去水垢[13]。

5.4.4 去除水壺中水垢方法

①放一小匙小蘇打于水壺中，再加入適量水燒沸一段時間，可除去水垢[14]。

②用結了水垢的水壺煮上幾次雞蛋，會收到理想的效果[15]。

③放少量醋于水壺里，燒一段時間，可除去水垢[16]。

5.4.5 防止水垢形成的方法

①在新水壺內放半水壺以上的山芋，加滿水，將山芋煮熟，以后再燒水就不會積水垢。但煮山芋后，內壁不能擦洗，否則會失去除垢作用。

②在燒水壺里放一只干凈的口罩或一塊新棉花，燒水時水垢會被口罩或棉花吸附，時間久了，只需把口罩或棉花換一換。

參考文獻：

[1]韓金銀.我們周圍的化學（第2版）[M].上海：華東師范大學出版社，2008：11.

[2][8][10][11][14][15][16]清渠.生活百科小竅門[M].北京：北京工業大學出版社，2009：130，300.

[3]北京師范大學，華中師范大學，東北師范大學等.分析化學（上）（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2001：15.

[4]北京師范大學，華中師范大學，東北師范大學等.分析化學實驗（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2001：47.

[5]常文保.化學詞典[M].北京：科學出版社，2008：47.

[6]劉婷婷，王文瑞，徐曉楓.食品中鉛、鎘、鋁、汞污染及檢測技術研究進展[J].內蒙古醫學，2012，44（20）：57～60.

[7]邵敏，趙美萍.環境化學[M].北京：中國環境科學出版社，2001：150～151.

[9][12][13]中國工人出版社編.家庭實用小竅門[M].北京：中國工人出版社，1990：200.