高中阶段开展水质检测可行性研究--修改稿样本.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。水质检测-高中校本课程案例北京师范大学南湖附属学校化学组: 尹求元摘要: 水是地球的生命之源, 保护是人类义不容辞的责任。因此进行水质的检测极其重要。本文结合水质常见指标的检测方法和高中阶段现有的条件作出分析, 认为在高中阶段开展较粗略的水质检测是可行的, 也是符合新课程下形成学生科学素养的一种途径。关键词: 水质检测指标 高中 可行性1.问题的提出: 水是一种普遍存在又极为宝贵的自然资源, 是人类和一切生物赖以生存的物质基础。社会经济的迅速发展, 加速了对水资源的消耗, 同时使水环境普遍受到破坏。水资源的日益减少和水污染的加剧, 在许多地区已成为当地社会经济持续发展道路上的一大障碍。因此, 保护水环境、 控制水环境污染是当今环境保护的重要组成部分。水污染的监测和水处理技术是环境污染控制的支撑技术, 并成为环境科学的重要分支。1在高中新课程中, 明确提出了以提高学生科学素养为宗旨。实验是提高学生科学素养的一种极其重要的途径。在中华人民共和国教育部制订的 普通高中化学课程标准实验版中有以下几条: 要认识化学实验是学习化学知识、 解决生产和生活中实际问题的重要途径和方法; 要树立绿色化学思想, 形成环境保护意识; 要初步掌握天平、 酸度计等仪器的使用方法, 认识定量分析在化学研究中的重要性。在化学实验探究中, 要求学生能发现学习和生产、 生活中有意义的化学问题, 并能进行实验探究; 在活动与探究建议中, 要求学生用氧化还原滴定法或电化学分析法测定污水中的化学耗氧量。2由此可见, 对于水质的检测已不再仅仅是专家们的工作, 对于一名高中生, 同样能够进行水质检测工作, 这也符合新课程的要求。但在水质检测中, 要涉及许多精确定量分析的知识与实验操作, 还有部分是仪器分析的内容。限于高中生已有的知识和实验技能, 再由于对于一般高中实验室所具有的实验条件, 我们又不能进行非常精确而系统的检测。本文对水质常见指标的检测作出较为系统的归纳, 结合高中生的现有的知识水平做出分析, 认为在高中阶段开展较为粗略的水质检测是可行的。2水中的杂质要进行水质的分析, 应该对水中的有所了解。根据水的类别, 水中所含的杂质也是不同的。2.1天然水中的杂质天然水的杂质按照性质可分为无机物、 有机物和微生物三类, 按其颗粒大小可分为三类: 颗粒直径大于100nm的是悬浮物, 介于1100nm是胶体, 小于1nm的是离子和分子物, 即溶解物质。3悬浮物一般悬浮于水流中。当水静止时, 比重较小的物质, 如腐殖质、 浮游的原生动物、 难溶于水的有机物等会浮于水面; 比重教大的物质, 如泥砂和粘土类无机物等则沉于水中。水发生浑浊现象, 主要是悬浮物造成的。悬浮物由于颗粒直径大, 在水中又不稳定, 是容易出去的。胶体物质是由许多分子和离子组成的集合体。胶体由于表面积大, 表面吸附力强, 能够吸引附过剩离子而带电, 结果同类胶体因带有同性电荷而相互排斥, 在水中不能互相聚结在一起, 而以微小的胶体颗粒状态稳定地存在于水中。天然水中的有机物胶体主要成分是腐殖质, 无 机物胶体主要是铁、 铝和硅的化合物。这些胶体常使水呈黄绿色或褐色, 或产生浑浊现象。天然水中的溶解物质, 大都为离子和分子状态, 对天然水的水质起重要作用的一般有下列七种离子: Na+、 K+、 Ca2+、 Mg2+、 HCO3- 、 SO42-、 Cl-等。天然水中常见的溶解气体有O2 CO2.溶解于水中的氧气称为溶解氧.另外H2S、 SO2、 NH3亦能溶解,她们常使水体具有腐蚀性和臭味.天然水中的微生物,属于植物界的有细菌类、 藻类和真菌类。属于动物界的有鞭毛虫、 病毒等原生物。另外还有属于高等植物的苔类和属于后生动物的轮虫、 条虫、 蜗牛、 蟹和虾等。2.2生活污水和工业废水中的杂质生活污水中含有各种生活废物, 如食物残渣、 人、 畜排泄物、 病菌等各种有机物和微生物。这些物质使生活污水外观浑浊、 有色, 且带有腐臭气味。工业废水中含有各类工业生产的废料、 残渣及部分原料。常见的污染物有Hg、 Pb、 Pb2+、 Zn2+、 Cd2+、 Hg22+、 Hg2+、 Cr6+、 F-、 CN-等金属和离子, 以及酚、 有机氯、 有机磷农药、 苯基烷烃类有机物等。这些物质也使工业废水呈现出浑浊、 有色、 臭、 味、 酸碱性等。43.水质指标水质指标分为物理指标、 化学指标、 微生物指标和放射性指标四类。有些指标可直接用某一种杂质的浓度来表示, 有些指标则是利用某一类杂质的共同特性来间接反映的, 如有机物杂质可用化学需氧量( COD) 、 生物化学需氧量( BOD) 、 总需氧量作为综合指标( 也被称为非专一性指标) 。33.1物理指标温度: 影响水的其它物理性质和生物、 化学过程臭味: 感官性指标, 可借以判断某些杂质或有害成分存在与否颜色: 感官性指标, 水中悬浮物、 胶体或溶解类物质均可生色。浊度: 由于水中悬浮物或胶状颗粒物质引起。透明度: 与浊度意义相反, 但二者同是反映水中杂质对透明的阻碍程度。悬浮物: 反映水中受固体污染物污染的程度。3.2化学指标按照水中杂质的成分和特性规定的各种指标。3.2.1非专一性指标电导率: 表示水样中可溶性电解质总量。pH: 水样的酸碱性。酸度: 由可溶性钙盐和镁盐组成, 引起用水管路中发生沉淀和结垢。碱度: 一般来源于水样的OH-、 CO32-、 HCO3-。关系到水中许多化学反应过程。无机酸度: 来源于工业酸性废水和矿井排水, 有腐蚀作用。3.2.2专一指标铁: 在不同条件下可呈Fe2+或胶粒Fe( OH) 3状态, 造成水有铁锈味和浑浊, 形成水垢、 繁生铁细菌。锰: 常以Mn2+形态存在 其很多化学行为与铁相似。铜: 影响水的可饮性, 对金属管道有侵蚀作用。锌: 很多化学行为与铜相似。钠: 天然水中主要易溶组分, 对水质不发生重要影响。硅: 多以H4SiO4形态存在于天然水中, 含量变化幅度大。有毒金属: 常见的有砷、 镉、 汞、 铅、 铬等, 一般来源于工业废水。氯化物: 影响可饮用性, 副食金属表面。氟化物: 饮水浓度控制在1g/g可防止龋齿, 高浓度时有腐蚀性。硝酸盐氮: 经过饮用水过量摄入婴幼儿体内时, 可引起变性血红蛋白症。亚硝酸盐: 是亚铁血红蛋白症的病原体, 与仲胺类作用生成致癌的亚硝酸胺类化合物。氨氮: 呈NH4+和NH3形态存在, NH3形态对鱼有危害, 用Cl2处理时可产生有害的氯胺。磷酸盐: 基本有三种形态: 正磷酸盐、 聚磷酸盐和有机键合的磷酸盐是生命必须物质, 可引起水体富营养化。氰化物: 剧毒, 进入生物体后破坏高铁细胞色素氧化酶的正常作用, 致使组织缺氧窒息。酚: 多数酚化合物对人体毒性不大, 但具有臭味( 特别是氯化过的是水) , 影响可饮用性。洗涤剂: 仅有轻微毒性, 有发泡性。石油类: 影响空气水界面临间氧的交换, 被生物降解时耗氧, 使水质恶化。3.3表示水中溶解气体含量的指标氧气: 对大多数高等水生生物呼吸所用, 腐蚀金属, 水体中缺氧时又会产生有害的CH4、 H2S等。二氧化碳: 大多数天然水系中碳酸体系的组成物。33.4表示水中有机物含量的指标( 专一性指标) 化学需氧量( COD) : 有机污染物浓度的简易指标。生化需氧量( BOD) : 水体经过微生物作用发生自然净化的能力标度。废水生物处理效果标度。总需氧量( TOD) : 按近理论需氧量值。总有机碳: 按近理论有碳量值.43.5生物指标细菌总数: 对饮用水进行卫生学评价时的依据。大肠菌群: 水体被粪便污染程度的指标。藻类: 水体营养状态的指标。3.6放射性指标总、 总、 铀、 镭、 钍等: 生物体受过量辐射时( 特别是内照射) 可引起各类放射病或烧伤等。4.水质分析方法: 分析化学按其分析任务的不同, 可分为结构分析、 定性分析和定量分析。在水质分析中, 由于被分析的物质一般都是指定的, 主要进行的是定量分析。定量分析的方法一般又分为两大类, 即化学分析法和仪器分析法。44.1化学分析法: 此法是将待测物质以沉淀的形式析出, 经过过滤、 烘干, 用天平称其重量, 得出頛物质的储量。重量分析的特点是较准确, 但分析过程繁, 费时间。在水质分析中, 由于被测物质储量甚微, 加之沉淀分离不易完全, 用天平称量不易准确, 这种方法很少使用, 仅在水的某些物理性质的测定上用到, 如水中悬浮固体与溶解固体的测定等。4.1.1滴定分析法此法是将一种准确浓度的试剂( 标准溶液) , 滴加到被测物质的溶液中, 根据反应时手忙脚乱试剂的体积和浓度, 计算被测物质的含量。滴定分析法是被广泛采用的一种常量分析法, 它可用于测定含量在1%以上的常量成分, 有时也可用于测定微量成分。滴定分析法简便、 快速、 测定结果的准确度较高, 适宜在野外及现场短时间的测定, 因此, 水质分析中广泛采用此法。根据化学反应类型的不同, 滴定分析法又可分为酸碱滴定法、 络合滴定法、 沉淀滴定法、 氧化还原滴定法。4.2仪器分析法: 仪器分析是以物理和物理化学方法为基础的分析方法, 它包括光谱分析法( 可见分光光度法、 紫外分光光度法、 红外光谱法、 原子吸收光谱法、 原子发射光谱法、 X-荧光射线分析法、 荧光分析法、 化学发光分析法等) ; 色谱分析法( 气相色谱法、 高效液相色谱法、 薄层色谱法、 离子色谱法、 色谱-质谱联用技术) ; 电化学分析法( 极谱法、 溶出伏安法、 电导分析法、 电位分析法、 离子选择性电极法、 库仑分析法) ; 放射分析法( 同位素稀释法、 中子活化法) 和流动注射分析法等。当前, 仪器分析方法被广泛用于对环境中污染物进行定性和定量的测定。如分光光度法常见于大部分金属、 无机非金属的测定, 气相色谱法常见于有机物的测定, 对于污染物状态和结构的分析常采用紫外光谱、 红外光谱、 质谱及核磁共振等技术。5.常见水质指标的检测方法5.1对于物理指标的检测3检测指标所需试剂( 主要) 所需仪器( 主要) 应具知识检测方法色度铂钴标准溶液( K2PtCl6氯铂酸钾,CoCl2.6H2O氯化钴) 容量瓶 分析天平 具塞比色管固体物质的精确量取溶液的精确配制铂钴标准比色法重铬酸钾 纯硫酸钴 浓硫酸 稀盐酸容量瓶 分析天平 具塞比色管固体物质的精确量取溶液的精确配制铬钴标准比色法浑浊度硅藻士 氯化汞容量瓶 量筒 蒸发皿 干燥器 天平具塞比色管固体物质的精确量取溶液的精确配制硅藻士标准比浊法水中总固体的测定蒸发皿 烘箱蒸发 精确称量重量分析法悬浮性固体的测定蒸发皿 烘箱 过滤器蒸发 精确称量 过滤重量分析法温度的测定水温计或颠倒温度计透明度的测定直径30cm的白瓷圆盘或15cm*21cm的白瓷板粗略目测法5.2对于常见化学指标的测定3检测指标所需试剂所需仪器检测原理应具知识检测方法pH值邻苯二甲酸氢钾 磷酸盐标准缓冲溶液 硼砂标准缓冲溶液容量瓶 聚乙烯瓶 pH计 pH玻璃电极 甘汞电极 磁力搅拌器以玻璃电极为指示电极, 甘汞电极为参比电极, 把两电极插入待测溶液中, 组成原电池, 根据能斯特方程, 在25摄氏度时, 每改变一个pH单位, 其电势差变化了59mv能斯特方程的运用pH测量仪器的使用方法玻璃电极电位法pH试纸试纸目测法硬度的测定缓冲溶液( 氯化铵 浓氨水, 硫酸镁 EDTA) 铬黑T指示剂 EDTA标准溶液移液管 锥形瓶 过滤器 滴定管 分析天平EDTA可与水中钙镁形成无色可溶性络合物, 指示剂铬黒T则与钙镁离子形成紫红色络合物, 用EDTA滴定钙镁到达终点后, 钙镁离子全部与EDTA络合而使铬黒T游离, 溶液由紫红色变为蓝色移液管的使用 滴定操作络合反应的基本原理络合滴定法碱度的测定酚酞 甲基橙 0.1盐酸标准溶液移液管 锥形瓶 过滤器 滴定管 分析天平以酚酞与甲基橙作指示剂, 用盐酸标准溶液滴定水样中形成碱度的离子, 根据滴定达到终点时所消耗的盐酸量判断和计算水中各种碱度移液管的使用 滴定操作离子反应的基本原理酸碱滴定法35.3有机物含量的指标测定3检测指标所需试剂所需仪器检测原理应具知识检测方法化学需氧量( COD) 1: 3硫酸溶液 草酸标准溶液 KMnO4标准溶液分析天平 溶量瓶 移液管 蒸发皿 酸性滴定管加入一定量KMnO4的标准溶液, 加热至沸, 促进KMnO4氧化, 水样中的污染物被氧化后, 再加入一定量的Na2C2O4标准溶液还原剩余的KMnO4, 最后再用标准KMnO4溶液回滴过量的Na2C2O4, 使溶液呈粉红色为止标准溶液的配制氧化还原反应知识酸式滴定的有关知识 氧化还原计算有关知识酸性高锰酸钾法重铬酸钾标准溶液 硫酸亚铁铵标准溶液 试亚铁灵指示剂( 纯邻二氮菲与绿矾的混合液) 浓硫酸 硫酸银 硫酸汞分析天平 溶量瓶 移液管 蒸发皿 酸性滴定管 圆底烧瓶 回流冷凝管首先重铬酸钾与水中还原性污染物质充分作用, 然后, 以邻二氮菲亚铁为指示剂, 用硫酸亚铁铵标准溶液滴定剩余重铬酸钾标准溶液的配制 氧化还原反应知识酸式滴定的有关知识 氧化还原计算有关知识重铬酸钾法溶解氧的测定( DO) 硫酸锰溶液碱性KI溶液 硫代硫酸钠标准溶液 浓硫酸 淀粉指示剂分析天平 溶量瓶 移液管 蒸发皿 酸性滴定管 圆底烧瓶 回流冷凝管先加入硫酸锰和碱性KI与水中氧反应产生单质碘, 再加入硫酸, 以淀粉作指示剂用硫代硫酸钠滴定生成碘标准溶液的配制氧化还原反应知识滴定的有关知识氧化还原计算有关知识碘量法生化需氧量的测定( BOD5) 硫酸锰溶液碱性KI溶液 硫代硫酸钠标准溶液 浓硫酸 淀粉指示剂 氯化钙 氯化铁 硫酸镁 磷酸盐缓冲溶液恒温培养箱( 20+-1摄氏度) 水样搅拌器 分析天平 溶量瓶 移液管 蒸发皿 酸性滴定管 圆底烧瓶 回流冷凝管取经中和及除去毒性物质或经稀释的平行水样两份, 一份测其最初的溶解氧量, 另一份在20摄氏度时培养5天, 测其溶解氧量, 两者之差即为BOD5值标准溶液的配制氧化还原反应知识滴定的有关知识氧化还原计算有关知识 恒温箱的使用 水样保存的相关知识五日培养法5.4有关元素的指标测定3检测指标所需仪器所需试剂反应原理应具知识检测方法氯化物的测定NaCl标准溶液( 标定硝酸银) 重铬酸钾溶液( 指示剂) 硝酸银标准溶液 氢氧化铝悬浊液 酚酞指示剂 硫酸 氢氧化钠 双氧水分析天平 溶量瓶 移液管 过滤器 酸性滴定管在中性或碱性条件下, 以铬酸钾作指示剂, 用硝酸银滴定氯化物, 氯化物先沉淀, 到达终点后, 则有砖红色重铬酸银沉淀标准溶液的配制 离子反应知识酸式滴定的有关知识 离子反应计算有关知识滴定法氟化物的测定氟标准贮备溶液 总离子强度调节缓冲液离子计( 精密酸度计) 氟离子选择性电极和甘汞电极 电磁搅拌器以氟离子选择电极为指示电极, 饱和甘汞电极为参比电极, 当控制水中总离子强度为定值时, 电池的电动势随氟离子浓度变化而改变, 利用E与lgCF-成直线的关系, 可直接求出待测水中氟离子的浓度有关离子计的使用 氟离子选择电极与甘汞电极的使用及原理 能绘制出直线图 并能理解走红图的意义电极法硫化物的测定浓盐酸 硫代硫酸钠标准溶液 淀粉指示剂 碘溶液 乙酸锌 分析天平 溶量瓶 移液管 蒸发皿 酸性滴定管 圆底烧瓶 回流冷凝管水中硫化物与乙酸锌生成硫化锌沉淀, 将其溶于酸中与过量碘作用, 然后用硫代硫酸钠滴定剩余碘, 求水中硫化物含量标准溶液的配制氧化还原反应知识滴定的有关知识氧化还原计算有关知识碘量法铁的测定亚铁标准溶液 邻二氮菲溶液 盐酸羟胺溶液 醋酸缓冲溶液光电比色计分析天平 溶量瓶 移液管 滴定管 亚铁离子可与邻二氮菲形成橙红色络合物标准溶液的配制 离子反应知识滴定管的使用知识 离子反应计算有关知识邻二氮菲比色法6.在高中阶段进行水质指标检测可行性水质的检测实验是否能够顺利完成, 主要取决于以下几方面: 1. 高中生当前的知识水平。知识一方面是有关实验原理的理解和实验数据的处理, 另一方面是有关实验操作技能上的知识, 对一些量化实验的操作是否能顺利完成: 2. 实验室当前所具有的条件。有没有相关的实验仪器和所需的实验药品是一个制约着学生进行水质检测的客观条件; 3.教师的切实指导。进行水质的检测是一个精确量化的过程, 在此过程中, 学生要完成一些精确处理过程, 在此过程中, 教师的指导是非常重要的。我们以此为标准对各具体检测指标作出可行性预测分析, 其中可行性分析五星为完全可行, 一星为很难可行, 依此上升。6.1对水质分析物理指标检测可行性分析: 检测指标试剂可行性( 不常见药品列出) 仪器可行性分析( 不常见仪器列出) 应具知识可行性实验操作难度分析检测方法总的可行性色度*K2PtCl6氯铂酸钾*具塞比色管*铂钴标准比色法* 纯硫酸钴 *具塞比色管*铬钴标准比色法*浑浊度*氯化汞*分析天平具塞比色管*硅藻士标准比浊法*水中总固体的测定* 分析天平 烘箱*重量分析法*悬浮性固体的测定*分析天平 烘箱 *重量分析法*温度的测定*水温计或颠倒温度计*透明度的测定*粗略目测法*从上表能够看到, 对于水质物理指标的检测是完全可行的。具有难点的地方是分析天平的使用问题, 也就是精确称量的问题。这只要在教师的指导下, 是可行的。6.2对于水质常见化学指标检测的可行性分析检测指标试剂可行性( 不常见药品列出) 仪器可行性( 不常见仪器列出) 应具知识可行性实验操作难度分析总的可行性检测方法pH值*邻苯二甲酸氢钾液 硼砂标准缓冲溶液*pH玻璃电极 甘汞电极 磁力搅拌器*能斯特方程的运用pH测量仪器的使用方法*玻璃电极电位法*试纸目测法硬度的测定* 铬黑T指示剂 EDTA标准溶液* 分析天平*络合反应的基本原理*络合滴定法碱度的测定*分析天平*酸碱滴定法从上表能够看到, 对于水质常见化学指标的检测是完全可行的。但由于较精确, 因此实验操作难度较大, 只要能够认真实验, 还是能够得出很好的检测结果的。6.3对于有机物含量的指标检测的可行性分析检测指标试剂可行性( 不常见试剂列出) 仪器可行性( 不常见仪器列出) 应具知识可行性实验操作难度分析总的可行性检测方法化学需氧量( COD) * 草酸标准溶液 *分析天平 *酸性高锰酸钾法* 硫酸亚铁铵标准溶液 试亚铁灵指示剂( 纯邻二氮菲与绿矾的混合液) *分析天平 *重铬酸钾法溶解氧的测定( DO) *分析天平*碘量法生化需氧量的测定( BOD5) *恒温培养箱( 20+-1摄氏度) 水样搅拌器 分析天平*恒温箱的使用 水样保存的相关知识*五日培养法从上表能够看到, 对于有机物含量指标的检测是完全可行的。6.4对于有关元素的指标检测的可行性分析检测指标仪器可行性试剂可行性应具知识可行性实验操作难度分析总的可行性分析检测方法氯化物的测定*分析天平 *滴定法氟化物的测定*氟标准贮备溶液 总离子强度调节缓冲液*离子计( 精密酸度计) 氟离子选择性电极和甘汞电极 电磁搅拌器*有关离子计的使用 氟离子选择电极与甘汞电极的使用及原理 能绘制出直线图 *电极法硫化物的测定*乙酸锌 *分析天平 *碘量法铁的测定*亚铁标准溶液 邻二氮菲溶液 盐酸羟胺溶液 *光电比色计分析天平 *邻二氮菲比色法对于有关元素的指标检测远远不止上述几种。这里列出了较常见的几种。对于元素的检测可行性差, 一是因为这些元素在水中是微量存在, 用滴定法或重量分析法很难检测; 二是在检测时要用到高中实验室所具有的精密仪器, 仪器这个客观因素难以解决。而且学生对于仪器的操作方法用实验原理都较难理解。以上原因, 在高中阶段进行元素的量化检测可行性差。7.结论: 从上述分析我们能够得知, 尽管进行水质指标的检测一个非常专业的领域, 其精确度要求相当高。但在高中阶段进行基本的水质检测是可行的。当然, 这样的水质检测是粗略的检测, 其精确度是较低的。但对提高学生的实验技能, 形成学生的科学素养, 增强她们的环保意识是有益的。经过水质的指标检测, 还能形成学生量化分析的观念, 为以后的继续学习打好基础。参考文献: 1谢贤群 王立军主编 水环境要素观测与分析 北京: 中国标准出版社 1998.62中华人民共和国教育部制订 普通高中化学课程标准 北京: 人民教育出版社 .43吴国琳 水污染的监测与控制 北京: 科学出版社 .44邹家庆 工业废水处理技术 北京: 化学工业出版社 .8