明矾水净化原理(探索明矾水净化和盐水解的数字实验)

高中化学禄口版选修四

明矾提纯和盐水解的数字实验研究

一、实验教学分析

1.教学内容分析

盐水解属于山东科技出版社新编教材《化学反应原理》第三章“物质在水溶液中的行为”、第二节“弱电解质离子化盐的水解”的第四选修，必修一化学第二章第一节“物质的分类”也提到了明矾水的净化。但是在实际的教学过程中，学生能够观察到的实验现象非常有限，一般老师会直接从这个现象告诉学生，没有相关的实验事实和有效的实验事实。

2.学生学习状况分析

盐的水解是高中阶段的重点和难点。胶体只是高中阶段的一个普修，原理还没有完全理解。这时，学生很难通过盐的水解生成胶体纯净水。在教学过程中，大部分学生直接被告知明矾水解可以净化水。根据维果茨基的“最近发展区理论”，这显然超过了学生现有的潜在认知水平，所以学生只能通过机械记忆来记住这些知识。

因此，为了解决这个问题，本实验是基于书本实验和手持技术设计的。通过对实验过程的跟踪，学生不仅可以看到结果，还可以看到反应过程。同时与书本实验完美结合，在实际教学过程中具有很强的实用性。

二、实验部分

1.实验原理

明矾之所以能净化天然水，是因为明矾溶于水后产生的Al3+与天然水中的HCO3-发生双重水解反应，生成氢氧化铝胶体，吸附积累水中悬浮的杂质。

2.实验仪器和药物

仪器:电脑、朗威数据采集器、浊度传感器(配套反应装置)、药勺。

药物:明矾、硫酸铁、碳酸氢钠、蒸馏水。

3.实验步骤

(1)用烧杯、橡胶滴管等实验仪器配制所需试剂，配制4份浊水。

②用PH传感器测量试剂的PH值，在实验过程中测量净水过程中PH值的变化。

③连接浊度传感器、数据采集器和计算机，打开DISLab 6.9实验数据处理软件，将坐标设置为纵坐标为浊度，横坐标为时间，利用浊度传感器监测净水过程中四种浑浊水溶液的浊度变化。

4.实验结果和讨论

溶液浊度随反应时间的变化曲线如图1所示，分析数据显示:

(1)1号反应容器中的浊度为蓝线，几乎没有变化，说明溶液是均匀稳定的悬浮液；

(2)2号反应容器内浊度为红线，有变化，但不明显，说明明矾能净化水，但按书本做法净化水较慢；

(3)3号反应容器内浊度呈绿色线，变化明显，136秒内变化明显，说明加入碳酸氢钠后，会与明矾发生双重水解，从而加快沉降速度；

(4)反应容器内浊度为黑线，65秒内变化明显，溶液肉眼变得清澈，说明三价铁的水解能力强于三价铝离子。

通过数据分析，可以得出以下结论:

1.影响明矾净水效果的因素:水温、水的酸碱度、水中杂质的性质和浓度、明矾用量等。

2.明矾中的Al3+水解净水，加入HCO3-促使水解净水效果更好；

3.与相同浓度的Fe3+和Al3+相比，Fe3+的水解程度更深，净水效果更好。

4.胶体不能吸附有色离子。

5.实验改进要点

浊度传感器用于跟踪检测明矾纯净水的浊度，绘制浊度与反应时间的曲线。通过控制变量法得出结论，实现了实验过程的可视化、小型化、动态化和家庭化。

三.实验教学内容

1.实验教学目标

(1)通过对四种溶液净水能力的实验研究进行分析，可以增加我们对化学学习的兴趣，形成对分步化学反应的初步认识，提高我们学以致用解决实际问题的能力；

(2)通过浊度和反应时间的数据，学习数据分析、读图和数据分析的能力，初步了解使用手持技术进行实验的实验装置的组成；

(3)通过书本实验与教学实验的对比，可以提高设计、评价、加工等实验的综合能力。

2.教学困难

教学重点:掌握铝离子可以水解成胶体净化水质，不同离子水解能力不同，相互影响；

教学难点:根据浊度变化与时间的关系，分析数据和图表，得出结论。

3.真实考试的教学过程

(1)创设情景，激发思维。

【课堂介绍】交流研讨会:

取3个烧杯，每个装满浑浊的天然水(湖水、河水或井水等)。)，在2个烧杯中加入3茶匙明矾粉，搅拌溶解，然后静置观察现象。在实际教学中，往往要等待很长时间，净水效果不理想。

(2)基于书本发现问题。

【小组实验】研究讨论书本中明矾净水的实验研究。并进行书本实验，找出实验中的问题。

【现象报道】实验期间，明矾水净化特别慢。如果是课堂实验，效率太低。

【问题问】如何加快净水速度，如何观察，能否通过传感器探索？

(3)学习新知识，拓展思路

【获得新知识】明矾之所以能净化天然水，是因为明矾溶于水后产生的Al3+与天然水中的HCO3-发生双重水解反应，生成氢氧化铝胶体，吸附并积累水中悬浮的杂质。明矾中的Al3+水解水，加入HCO3-促进水解水净化。与相同浓度的Al3+相比，Fe3+水解更深，净水效果更好。浊度传感器是一种用于测量溶液浊度程度的装置，通过朗威数据采集器可以获得实时浊度。

(4)观察实验，思考论证。

【演示实验】用烧杯、橡胶滴管等实验仪器准备好所需试剂和4份浊水。用PH传感器测量试剂的PH值，在实验过程中测量净水过程中PH值的变化；连接浊度传感器、数据采集器和计算机，打开DISLab 6.9实验数据处理软件，将坐标设置为纵坐标为浊度，横坐标为时间，利用浊度传感器监测净水过程中四种浑浊水溶液的浊度变化。

[结论]当悬浮液酸度调节至pH = 9.4 ~ 11.0时，明矾用量不宜过多，15毫升仅需2 ~ 4天，滴加2 ~ 3天饱和碳酸氢钠溶液较好。

(5)学以致用。

【学以致用】明矾中的Al3+水解净水，加入HCO3-促进水解净水效果更好。与相同浓度的Al3+相比，Fe3+水解更深，净水效果更好，胶体不能吸附有色离子。所以日常生活中经常用明矾来净化水，硫酸铁也可以净化水。其实硫酸铁是一种先进的自来水净化净水器。

四.实验效果的反思与评价

将数字实验技术应用于课堂教学，可以激发学生的学习兴趣，培养学生的探究思维。传感器可以将化学反应的性质转化为可监测的信号，这可以帮助我们更深入地研究化学现象和反应的性质，并直接用数字软件获得它们的变化曲线，从而使数据能够更加科学、直观、准确地量化。

由于我校实验室条件的限制，制备的反应物纯度可能不够准确，因此在数据收集方面存在一些不足。希望老师能批评指正。本研究的数字信息资源数据仅供参考。