離子水——新課標高中化學閱讀材料

紀艷蘋 王明召

摘 要 魯科版高中化學新教材在“化學與生活”模塊中涉及從各種途徑獲取生活飲用水,在“化學與技術”模塊中詳細介紹氯堿工業。以此為切入點,編寫這篇介紹離子水知識的學生閱讀材料,供一線高中化學教師選用。

關鍵詞 高中化學;閱讀材料;離子水

中圖分類號:G633.8 文獻標識碼:B 文章編號:1671-489X(2009)27-0024-02

Ionized Water: One Reading Material for Senior Chemistry under New Curriculum Standard//Ji Yanping, Wang Mingzhao

Abstract One reading material based on the New Curriculum Standard of senior chemistry was presented in this paper for senior students, to introduce the knowledge of ionized water.

Key words senior chemistry; reading material; ionized water

Authors address College of Chemistry, Beijing Normal University, Beijing, 100875, China

水對于人類的生存和發展具有重要意義。根據世界衛生組織最近公布的資料,80%的人類疾病與水有關,33%死亡人群的死因與水有關[1]。為了人類的健康、生存和發展,人們一直在尋求健康、安全的飲用水。此外,隨著人類生活水平的提高,高效、快速、簡便及對人體無毒副作用的滅菌消毒技術成為生命科學領域的熱點研究方向之一。離子水(又稱離子功能水)是酸性離子水和堿性離子水的總稱,具有獨特的功效,有望滿足這些要求。

1 離子水的分類及制備

1.1 分類及功能根據酸堿度,離子水可分為不同的種類,具有不同的功效,如表1所示[2]。

1.2 制備[3,4]普遍使用兩槽隔膜式電解槽來制備離子水,在陰極室生成酸性離子水,陽極室生成堿性離子水。該法對食鹽的濃度要求比較嚴格,不能連續生產,且陽極附近產生的酸性氧化電勢水容易透過陽膜滲透到陰極附近,因此效率低。三槽隔膜式電解槽可以克服以上缺點,是一種高效、可連續生產的制備裝置,其結構如圖1所示。三槽隔膜式電解槽由陰離子交換膜和陽離子交換膜將整個容器隔成三槽,分別為中間區、陽極區和陰極區。

中間區一般充有0.01%NaCl或0.002 mol·L-1NaOH溶液,兩邊為自來水。當兩極加上直流電壓時,陽極以析氯反應和析氧反應為主,陰極以析氫反應為主,溶液中以氯的水解和次氯酸的解離為主。

在電場作用下,氯離子通過陰離子交換膜進入陽極區,發生如下反應:

2Cl^-→Cl₂↑+2e

2H₂2O→O₂↑+4H++4e

Cl^-+H₂O→HClO+H⁺+2e

Cl^-+2H₂O→HClO₂+3H++4e

Cl^-+3H₂O→ClO₃^-+6H⁺+6e

HClO+H₂O→HClO₂+2H++2e

HClO₂+H₂O→ClO₃^-+3H++2e

2H₂O→H₂O₂+2H⁺+2e

O₂+H₂O→O₃↑+2H++2e

在陽極區,水生成氧氣和氫離子,氯離子生成氯氣。氯氣和水反應生成次氯酸和鹽酸,使溶液呈酸性,有效氯濃度達到(20～60)×10^-6mg·L^-1,溶解氧(DO:10 mg·L^-1～50 mg·L^-1)和氧化還原電勢(ORP≥1 100 mV)升高,從而具有殺菌作用。這種水叫強酸性離子功能水。

與此同時,Na+離子通過陽離子交換膜到陰極區,發生如下反應:

2H₂O+2e→2OH^-+H₂↑

ClO^-+H₂O+2e→Cl^-+2OH^-

HClO₂+H₂O→ClO₃^-+3H++2e

2H₂O→H₂O₂+2H⁺+2e

O₂+H₂O→O₃↑+2H⁺+2e

在陰極區,水生成氫氣和氫氧根離子,氫氣和溶解氧發生反應,導致DO值和ORP值顯著下降(DO約為8 mg·L^-1,ORP為-865 mV±25 mV),溶液呈堿性(pH值為11.5±0.2)。這種水叫堿性離子功能水。

中間區溶液中的反應如下:

Cl₂+H₂O→HClO+Cl^-+H⁺

HClO→ClO^-+H⁺

2HClO+ClO^-→ClO₃^-+2Cl^-+2H⁺

2ClO-→O₂↑+2Cl^-

2 強酸性離子水

強酸性離子水的pH值在2～2.7左右,OPR值約為1 100 mV,它能強烈抑制細菌繁殖,迅速滅活細菌、病毒等病源微生物,是一種具有極廣泛應用前景的殺菌消毒劑。它對人體無毒性作用,無刺激性、無副作用、無蓄積毒性,廣泛應用在醫療器械消毒、日常生活用品消毒、食品加工等領域。它的pH、ORP等特性受光照、攪拌、封裝條件的影響[5],需密閉避光保存。在密閉避光條件下能貯藏1年以上[6]。

通常認為強酸性離子水的殺菌功能是通過以下3方面作用實現的。

1)pH的作用。一般微生物的生存pH值為3～11。高濃度的H+引起菌體表面的蛋白質和核酸水解,改變細胞膜的電荷,進而影響菌體對營養物質的吸收[7]。細胞生長繁殖還離不開酶的作用,絕大多數酶發揮作用的pH值范圍很窄,較低的pH值大大抑制細胞的酶活力,引起代謝紊亂,最終導致菌體死亡[8]。

2)氧化還原電勢的作用。細胞內外兩側具有一定的電勢差,稱為膜電勢。一般細菌的細胞膜能耐受的電勢為960 mV,由于細胞膜附近脂肪會抵消一部分電勢,通常只要有1 000 mV的氧化還原電勢就會馬上導致微生物細胞膜破裂,引起微生物死亡[8]。酸性離子水的高氧化還原電勢環境影響微生物細胞膜電勢,從而影響營養物質和廢棄物的輸送功能。

3)有效氯的作用。有效氯指強酸性離子水中HClO、C12和C1O-等含氯化合物的總量。酸性離子水中含氯化合物主要為前2種物質。次氯酸分子量小,不帶電荷,容易進入細胞,可以氧化細胞膜和細胞組織的蛋白質[9],它分解形成的新生態氧也會將菌體蛋白質氧化,2種作用使細胞及細菌死亡。氯分子則是通過對菌體蛋白質的氯化而起作用。

3 弱堿性離子水[10]

弱堿性離子水的pH值在7.5～9.5左右。健康人體液pH值為7.4左右,血液pH值為7.35左右,腸液也為弱堿性。常飲弱堿性離子水能中和體內有害的酸性代謝產物,糾正肌體偏酸狀態,保持健康體魄。

自由基(也稱游離基)是含有一個單電子的原子或原子團。由于存在單電子,自由基具有從其他物質獲取一個電子,形成穩定物質的強烈傾向,會對機體中細胞或者運動能力產生損害。弱堿性離子水具有低還原電勢(OPR值為-250 mV～-350 mV),它可以提供大量電子給自由基使其變為穩定狀態,消除體內過多自由基。

弱堿性離子水中,6～7個水分子締合成環型小分子團(如圖2所示),與人體細胞結構水相似。這種水極易進出細胞,滲透力強,溶解度高,與細胞親和性好,可加速人體新陳代謝,使營養物質很快被吸收并迅速循環[11]。

作為飲用水,弱堿性離子水的飲用安全性引人關注,尤其應特別關注長期飲用弱堿性離子水是否會使人體發生脫水與電解質丟失[12]。王豫廉等人指出,長期飲用弱堿性離子水的人電解質無明顯異常改變,肝、腎功能無不良變化[13]。

參考文獻

[1]李曉輝,等.21 世紀生命水——活性離子水[J].科技情報開發與經濟,2001,11(6):104-106

[2]李玉萍,等.堿性電解功能水對動物細胞的調控及其在醫療中的應用[J].食品科學,2006,27(11):532-535

[3]洪妍.三槽型強酸性水制備機理及設備的研究[D].洛陽:河南科技大學農業機械化工程專業,2005

[4]莊琳懿.酸性氧化電位水的產生條件與作用的初步研究[D].上海:同濟大學分析化學專業,2007

[5]Len SV,et al.Effects of storage conditions and pH on chlorine loss in electrolyzed oxidizing water[J].J.Agric. Food Chem,2002,50(1):209-211

[6]李永玉.離子功能水的研究[D].北京:中國農業大學食品科學專業,2001

[7]胡潔彬,等.食品微生物[M].北京:北京農業大學出版社,1995

[8]關東勝.電生功能水的生成機制和電滲透脫水的研究[D].北京:中國農業大學食品科學專業,1997

[9]劉海杰.電生功能水的研究[D].北京:中國農業大學食品科學專業,1998

[10]沈泳元,等.談談離子水的特征和功效[J].食品工業科技,2002(1):74-76

[11]張建平,等.水分子團簇結構的改變及其生物效應[J].化學通報,2004(4):278-282

[12]袁藝紅,等.堿性離子水對機體的影響[J].景德鎮高專學報,2008,23(2):44-45

[13]王豫廉,等.長期飲用堿性離子水副反應觀察[J].上海預防醫學雜志,2001,13(12)565-566