從簡易凈水裝置到階梯式凈水裝置的實驗探究

柏品良+吳常名

摘要：以學生在簡易凈水器實驗中生成的問題為切入口，引導學生對各凈水材料的凈水速度、凈水效果、凈化原理以及水通過凈化材料的方式進行了實驗探究。得出了凈水材料的最佳放置順序；設計了能直接觀察各凈水材料的凈水速度與凈水效果的階梯式凈水裝置；進一步指導學生進行課外活動，利用生活中的可取材料自制階梯式凈水裝置。

關鍵詞：簡易凈水裝置；階梯式凈水裝置；自制凈水裝置；實驗探究；課外化學實驗活動

文章編號：1005–6629（2017）4–0077–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

九年級《化學》（人民教育出版社）上冊第四單元課題2“水的凈化”的課外實驗：自制簡易凈水器。取一個空塑料飲料瓶，剪去底部，瓶口用帶導管的單孔橡膠塞塞緊，將瓶子倒置，瓶內由下向上分層放置洗凈的蓬松棉、紗布、活性炭等，就得到一簡易凈水器[1]（如圖1）。

學生按照操作步驟，均能完成實驗。在實驗裝置展示、現場演示凈水過程、對實驗過程中的疑問和技巧等進行交流與研討后，有學生提出問題：裝置中的小卵石、石英砂、活性炭三種物質放置順序是否可以改變？

2 討論與猜想

方案一：改變三種物質的放置順序，分別進行實驗，比較凈化效果；

方案二：將這三種物質分別進行凈化水實驗，比較其凈化效果。

查閱資料，結合這三種物質凈化水的原理，確定三種物質的最佳放置順序。

經過討論，認為方案二比方案一合理，決定以方案二為基礎進行實驗。

3 實驗探究

3.1 實驗

將整個裝置拆分成三個凈化器，分別用小卵石、石英砂和活性炭做凈水材料對相同的污水進行凈化（如圖2），比較凈化水的效果與速度。

實驗說明：（1）樣品污水是100mL河水，并向其中滴入1滴紅色墨水。（2）蓬松棉難以獲得且在實驗裝置中難以保證一樣的厚度，為此用12層的紗布口罩替代蓬松棉。（3）活性炭因為細小密度小，加水后漂浮在水面，須在活性炭上方加一微孔瓷制隔板（化學儀器商店有售）。

實驗結論：（1）不同材料凈化速度、凈化效果見表1。（2）小流量、低流速時的凈化效果要好一些。

3.2 分析與結論

紗布、蓬松棉都是用來隔離小卵石、石英砂、活性炭等凈化材料的。小卵石用來過濾一些體積較大的不溶性固體雜質；石英砂用來過濾一些體積較小的不溶性固體物質；活性炭用來過濾、吸附更細小的固體顆粒和一些溶于水的異味氣體和色素等。

綜合“凈化速度”“凈化效果”“凈化原理”，過濾應該按照先“粗凈化”再“精凈化”的順序進行，也就是先過濾掉體積大的雜質，再過濾體積小的雜質。這樣做一是能使過濾速度更快，二是避免活性炭因過濾、吸附的雜質較多而削減其凈化能力。

凈水材料的最佳放置順序是按照流水方向依次放小卵石、石英砂、活性炭。

3.3 階梯式凈水裝置

將分別用小卵石、石英砂和活性炭做凈水材料的凈水裝置從上向下依次連接起來，就形成了階梯式凈水裝置（如圖3）。將水從最上方注入凈水裝置，收集裝置中水滿后從支管口溢入下一個凈水裝置，這樣便于觀察、對比它們的凈水效果，理解它們在凈水過程中發揮的作用。

4 實驗改進完善

4.1 問題提出

在評價階梯式凈水裝置時，有學生提出問題：“階梯式凈水裝置”包括“簡易凈水器”與教科書P75“圖4-17活性炭凈水器示意圖”（如圖4）中水通過活性炭層的方式不相同，那么，活性炭凈水時進、出水口的相對位置對凈化效果有沒有影響呢？

4.2 對比實驗

將一定質量的活性炭放入漏斗內部，將水從漏斗中注入，形成水自上而下通過活性炭層的凈化裝置（如圖5）；在漏斗的下端固定有微孔瓷制隔板，將等質量的活性炭放在漏斗和收集裝置之間，將水從漏斗中注入到收集裝置的底端，水浸泡過活性炭后從支管口流出，形成水自下而上通過活性炭層的凈化裝置（如圖6）。完成這組對比實驗：分別將水從上、下入水口進入凈化裝置，比較活性炭的凈化效果。

4.3 實驗結果

在相同流量情況下，水自下而上通過活性炭層的凈化效果好于水自上而下通過活性炭層。

4.4 實驗分析

水自下而上通過活性炭層，會減小水的流速（也便于控制水的流速），延長水在“過濾層”的停留時間，讓水和活性炭充分接觸，以最大程度去除水中的異色和異味，凈水效果好。

4.5 實驗裝置修改

將圖3中階梯式凈水裝置的下端盛有活性炭的凈化裝置改換成圖6中的盛有活性炭的凈化裝置。

5 探究延伸

學生用醫用注射器、輸液器自制階梯式凈水裝置。

用注射器做過濾器、將輸液器的一端連接在注射器上組成凈水裝置（如圖7），從輸液器可以觀察到凈化水的效果。

將有孔活塞壓入注射器一半位置，在活塞上方裝滿活性炭，用膠將兩個注射器對接在一起，組裝成水自下而上通過活性炭層的凈水裝置（如圖8）；

把分別填入小卵石、石英砂和活性炭的凈水裝置自上而下連接起來，形成自制階梯式凈水器。

6 活動意義

以學生在實驗中遇到的問題為切入口，引導學生去分析問題、設計實驗解決問題，不僅解答了學生在學習上的疑問，還讓學生體驗到科學探究的過程，從而獲得實驗成功及通過實驗解決問題的喜悅。

以教科書中的[課外實驗]為基礎，拓展了教科書上的教學資源，利用生活中的教學資源，充分發揮了化學實驗的教學功能[2]。

從實驗探究的過程中發現新的問題，通過實驗對比，改進實驗裝置，提高凈化效果，使學生感受到科學探究是一個不斷完善、不斷發展的過程。強化科學探究意識，促進學習方式的改變，使學生學習化學的興趣朝定向、持久的方向發展[3]。

階梯式凈水裝置生動形象地演繹了凈水的過程，讓學生觀察到不同物質凈水效果，領悟它們在凈化水的過程中所起的作用，讓學生知其然，并知其所以然。同時，用生活中的材料經過簡單加工自制有創意的階梯式凈水裝置，培養了學生的創新能力。

將教科書中的[課外實驗]延伸為化學課外興趣小組活動，開放實驗室，在教師的指導下探究并解決實驗過程中的疑問，把化學課外活動引向深入。

參考文獻：

[1]課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心.義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）[M].北京：人民教育出版社，2012：77.

[2]張軍.初中化學教學實驗現象的反思與策略研究[J].化學教學，2014，（8）：21～23.

[3]魏書彬，陳加柱.淺議高中化學實驗教學的問題與對策[J].化學教學，2015，（11）：78.