高中阶段开展水质检测可行性研究

1在高中阶段开展水质检测可行性研究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，水的保护是人类义不容辞的责任。所以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2003年《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，同样可以进行水质检测工作，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，应该对水中的杂质有所了解。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1—100nm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通常有下2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O2CO2.溶解于水中的氧气称为溶解氧.此外H2S、SO2、NH3亦能溶解,他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。[4]3.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）。[3]3.1物理指标温度：影响水的其他物理性质和生物、化学过程臭味：感官性指标，可借以判断某些杂质或有害μ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1μg/g可防止龋齿，高浓度时有腐蚀性。硝酸盐氮：通过饮用水过量摄入婴幼儿体内时，可引起变性血红蛋白症。3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需物质，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。[3]3.4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）：水体通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.[4]3.5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α、总β、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。[4]4.1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4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。目前，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。如分光光度法常用于大部分金属、无机非金属的测定，气相色谱法常用于有机物的测定，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5pH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[3]5.3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