數字化實驗探究飲用水的曲線之韻

張靈麗 黃丹

摘要：在初中實驗教學中，引進傳感器，用數字化實驗來探究各種飲用水、礦泉水的電導率和pH隨溫度的變化，為學生了解和選擇飲用水提供相關的參考依據。

關鍵詞：數字化實驗;飲用水;礦泉水;酸堿性;電導率

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？應該喝什么水？選擇依據是什么？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，用數字化實驗進行實驗研究。數字化實驗是一種先進的實驗探究手段，利用數據采集器、傳感器和電腦軟件，集數據采集、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數據采集器、電導率傳感器、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、雀巢優活飲用水、農夫山泉飲用天然水、北極泉飲用天然礦泉水、農夫山泉天然礦泉水、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.實驗內容

將數據采集器、電導率傳感器、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，用電爐給燒杯持續加熱，同時點擊采集，測定15℃-100℃范圍內的溫度、電導率、pH數據。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、實驗結果與分析

1.水樣數據匯總及分析

經測定，各種不同品牌飲用水或礦泉水的pH、電導率及價格如表1所示：

通過數據的變化，有如下結論：（1）飲用水電導率隨著溫度的升高增大，但程度較小，礦泉水的電導率隨溫度升高，但程度也不大。（2）標簽上是飲用水的電導率更接近蒸餾水，礦泉水的電導率相對大些。（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，應該主要是水電離增大導致;多數礦泉水的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，微小的區別在于礦物質含量多少不同。

（說明：我們使用的傳感器是教學教育輔助器件，精確度達不到科研器件的要求，具體的數據因種種原因可能會有誤差，但我們的關注點不是具體的某一個數據的精確性，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^-數目在任何情況下總相等，水的離子積常數在常溫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，電導率變化并不明顯，電解質溶液的導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，溶液的導電能力是溶液中所有離子電導的總和。蒸餾水中電離出的離子的濃度微乎其微，所以，電導率從42μS/cm增加到53μS/cm，變化不明顯。

電導率隨溫度變化情況復雜。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。③陰離子的水解和水解后離子的摩爾電導率不同。

3.洞庭山天然飲用礦泉水的pH和電導率

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，電導率從45μS/cm增加到80μS/cm，溶液的導電能力是溶液中所有離子電導的總和，說明洞庭山天然飲用水含有一定量礦物質。

4.農夫山泉飲用天然水的pH和電導率

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，應該是弱酸根離子水解導致。

從圖7可以看出，隨著溫度的升高，電導率從122μS/cm增加到157μS/cm，是蒸餾水的三倍多，從溶液的導電能力是溶液中所有離子電導的總和的角度來看，說明農夫山泉飲用水中礦物質的含量比洞庭山要稍高一些。同時溫度的升高，溶液的電導率也是增大的。

5.皇家圣藍天然礦泉水的PH和電導率

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，在這里應該是弱酸根離子的水解為主導因素，所以PH增大。

從圖9可以看出，隨著溫度的升高，電導率從549μS/cm增加到605μS/cm，電導率是蒸餾水的10倍左右，從溶液的導電能力是溶液中所有離子電導的總和來看，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，曲線數據和標簽數據是一致的。

6.對比實驗——硫酸鈉溶液

皇家圣藍天然礦泉水，電導率看似數值很大，是不是它的礦物質濃度就是非常高呢？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率從33000μS/cm-12000μS/cm的變化曲線。可見，即使是礦泉水，其礦物質的含量并不是很高，所以，想通過喝水來補充礦物質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，實驗現象：pH從3逐漸增大，無限接近7。圖像如下：

通過以上數據，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的數據相接近，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、結論

用數字化實驗研究水的結論是：首先，可以解決人們糾結的水的幾個參數：水溶液的酸堿性強弱、礦物質含量的多少、價格、溫度升高對水溶液各種參數的影響等，從而指導人們理性地選擇飲用水。其次，通過數據對比發現，多數水的礦物質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.數字化手持技術在影響鹽類水解因素中的應用研究[J].北學教學，2016（2）：51-53

[2]孫德坤，沈文霞，搖甜揚.物理化學學習指導[M].北京：高等教育出版社，2007：361