2.4 水的组成和净化 课件 -2025-2026学年九年级化学沪教版（2024）上册

2.4 水的组成和净化 1 知识回顾 水是我们熟悉而又陌生的物质。说其熟悉，是因为我们每天都与水打交道，日常生活中的应用也有一定了解。说其陌生，在于我们尚未从化学视角去认识、研究水的组成和性质，尚未了解化学在解决水资源危机中的重要作用。今天我们就一起了解一下关于水的知识。 新课导入 我们每天都与水打交道，水是我们生活中最为熟悉的物质之一。水对于生物体的形成、生长发育起着非常重要的作用，在日常生活及工农业生产中具有广泛的应用。今天开始，我们将从化学视角去研究水的组成和性质，认识化学方法在获取饮用水过程中发挥的重要作用。 新课讲解 • 目标预览 • 能结合电解水实验探究水的组成；能运用化学方法对水进行净化，学习物质分离的实验技能；能体会化学在自来水生产过程中的重要作用，认识水资源综合利用对社会可持续发展的重要意义。 图2-27 初冬的松花江畔 一、探究水的组成 水在自然界中能以液态、固态、气态三种状态同时存在。与大多数物质不同，固态水(冰)的密度比液态水小，可以浮在水面上(图2-27)；气态水无色无味。不同状态的水在一定条件下可以互相转化。 水加热到一定程度会沸腾，沸腾时液态的水会变成水蒸气，水蒸气冷凝又变成液态的水，降低到一定温度还可以变为固态的冰。上述过程能否用于研究水的组成?你能提出研究水的组成的实验方案吗? 上述过程中水分子没有改变，发生的是物理变化，不能直接用于研究水的组成，但可以获得较为纯净的水，用于研究水的组成。利用化学反应在一定条件下使水分解，研究水分解后的产物可以帮助我们认识水的组成。 水加热煮沸产生水蒸气，水蒸气冷凝又变成液态的水，通过这一系列物理变化可以获得较为纯净的水。 日常生活中的水大多不是纯净物，研究水的组成时必须使用纯净的水。 利用化学反应在一定条件下使水分解，研究水分解后的产物，可以帮助我们认识水的组成。 【实验1】根据如下步骤进行水的电解实验，观察现象并思考。 1.向图 2-28所示的装置中加入纯净的水(为增强溶液的导电性，可向水中加入少量氢氧化钠)，接通直流电源，观察实验现象。 图2-28 电解水实验 2.将一根带火星的木条平放在与电源正极相连的玻璃管的尖嘴处打开活塞，观察实验现象，并推断气体成分。 3.打开与电源负极相连的玻璃管的活寒，在玻璃管的尖嘴处点燃 (或用一支小试管收集生成的气体后移至酒精灯火焰处)，观察实验现象，并推断气体成分。 【实验2】在空气中点燃纯净的氢气，并在火焰上方罩一个干燥的烧杯(图2-30)，观察实验现象。 从实验1和实验2中，你分别观察到什么现象?可以推断出什么结论？ 图2-30 检验氢气燃烧的产物 点燃氢气前，要先检验氢气的纯度，操作方法如图2-29 所示。 点燃氢气时，声音很小说明气体较纯，发出尖锐爆鸣声说明气体不纯。 图 2-29 氢气的验纯 在实验1中，与电源正极相连的玻璃管内生成的气体能使带火星的木条复燃，这种气体是氧气。 与电源负极相连的玻璃管内生成的气体能在空气中燃烧，这种气体是氢气 (hydrogen)。 图2-28 电解水实验 图2-28 电解水实验 该实验说明水在通电的条件下能发生分解反应，生成氢气和氧气。 水 氢气＋氧气 通电 H2O H2 O2 图2-30 检验氢气燃烧的产物 在实验2中，纯净的氢气在空气中燃烧，产生淡蓝色的火焰，放出大量的热，烧杯内壁凝结有水雾，说明氢气与空气中的氧气发生化合反应生成了水。 氢气＋氧气 水 点燃 H2 O2 H2O 上述实验说明水是由氢元素和氧元素组成的。 水在煮沸过程中会变成水蒸气，水蒸气在一定条件下可以部分分解产生氢气和氧气。上述两个过程各发生了什么变化? 水在煮沸的过程中，由液态变成了气态，只有状态发生了改变，没有新物质生成，是物理变化；水蒸气在一定条件下部分分解产生氢气和氧气，有新物质生成，是化学变化。 随着科学研究的不断深入，化学家可以通过多种途径分解水，经过大量的研究进一步证实了水的组成。 利用太阳光分解水 20 世纪 70 年代，科学家通过大量研究表明，用 TiO2 等物质作为催化剂，利用太阳光可以直接将水分解为氢气和氧气。氢气是一种理想的能源，液氢已被广泛用作航天动力燃料。液氢燃烧的产物是水，不产生污染生成的水又可循环使用。上述方法为不消耗电能而制得大量氢气提供了可能，这将引发一场针对太阳能开发利用的科技革命。 近年来，中国科学技术大学研究人员的一系列研究表明，采用纳米级的硅、石墨烯等材料作为催化剂，在太阳光下分解水的效果良好。该研究为水分解实现工业化制氢提供了新思路。一旦解决了氢气制取、氢气分离和安全储运等瓶颈问题，就能真正打开“氢能时代”的大门，实现能源的可持续发展。 二、水的净化 我们在日常生活中会接触到各种水，如河水、井水、自来水和矿泉水等看起来清澈的自然界中的水，往往是含有多种成分的水溶液。由于自然界中的水在不断流动，带入了泥土等杂质，导致水的纯度下降，直接影响水的质量自然界中水的循环和水流经岩层表面或固体砂层后都能除去其中的一些杂质但往往比较缓慢，也不易控制。人们常根据生产生活的需要对水进行处理，以除去水中含有的杂质，这就是水的净化。 在浙江河姆渡原始社会遗址发现了水井遗迹，说明六七千年前我国先民就已经开井取水了。先秦时期民歌中就有“日出而作，日入而息。凿井而饮，耕田而食”的说法。井水滋润孕育了无数的中华儿女，造就了中华民族的辉煌篇章。 图 2-31 中国传统的水井 井水看上去比较干净，为什么?井水是否为纯水? 井水看上去比较干净，主要是因为水流经岩层表面或固体砂层后，一些颗粒较大的杂质被除去了一部分。但井水不是纯水，井水中通常含有各种矿物质，还可能含有少量的有机物、微生物等。 事实上，完全纯净的水在自然界中并不存在，只要水中的杂质对人体无害均可以作为生活用水。对于只含固体小颗粒的浑浊的水(如泥水)，有时用肉眼就可以分辨，可以采用过滤方法加以净化。下面我们通过实验来了解除去水中固体小颗粒的简单方法。 在老师的指导下完成下列实验。 1.将一些浑浊的水倒入烧杯中，向烧杯中加入少量明矾，搅拌使明矾溶解，静置，观察现象。 2.如图 2-32所示，取一张圆形滤纸，折叠后剪成合适的大小，再展开放在漏斗中，用水润湿，作为过滤器。再按照图 2-33 安装好过滤装置。再按照图 2-33 安装好过滤装置。 3.将烧杯中的上层液体倒入另一个烧杯中，余下的液体缓慢地沿着玻璃棒注入漏斗中。待液体全部过滤后，取出滤纸，观察滤液和滤纸上的物质。 图2-32 过滤器的制作 图2-33 过滤装置 思考：浑浊的水中加入明矾后发生了什么变化?明矾起什么作用? 1.加入明矾静置后，浑浊的水变得澄清。 3.滤液澄清透明；滤纸上有固体残渣。 浑浊的水中含有悬浮的固体小颗粒，加入明矾后，这些悬浮颗粒发生凝聚而沉降，明矾起絮凝剂的作用。 过滤是将不溶于液体的固体物质与液体分离的一种常用方法。过滤的原理在生产生活中有广泛的应用。 水中含有悬浮的固体小颗粒，往往不易过滤除去，可以先加人一些试剂使悬浮颗粒发生凝聚而沉降 (这些试剂通常称为絮凝剂)。 明矾、三氯化铁都是生产生活中常用的絮凝剂。 过 滤 在组装过滤器时，滤纸与漏斗内壁要紧贴，滤纸边缘要低于漏斗边缘。过滤时，玻璃棒紧靠三层滤纸一侧，液体沿玻璃棒注入漏斗中，漏斗末端的尖嘴部分紧贴烧杯内壁，漏斗中液体的液面要低于滤纸的边缘。 根据不同场合的用水要求，可选择不同的过滤介质。 如实验室常用滤纸除去液体中不溶性的固体小颗粒；茶壶中过滤茶叶可采用金属网；通过水塔中的沙层、活性炭等物质可除去固体小颗粒，获得工业用水；家用净水器常用过滤膜、活性炭和离子交换树脂等净化水。 图2-34 生活中常用的过滤器 随着生活水平不断提高，人们对水质的要求也越来越高。用水分类标准对水中的杂质种类和含量均有明确的规定。 例如，居民生活用水的需求量非常大，不仅要求水是洁净的，而且必须安全卫生。当自来水送到家庭之前，自来水厂通过加入絮凝剂将悬浮的固体沉降、过滤，再用沙子过滤除去水中较小的颗粒物，最后还需通入消毒剂进行消毒杀菌处理。 自来水的生产过程 当你使用自来水的时候，你是否知道自来水是怎样生产出来的? 图2-35 可以简单说明自来水生产的一般过程。 图2-35 自来水生产的一般过程 通过调查研究，和同学一起讨论如下问题： 1.自来水生产过程中，天然水要经过沉降、过滤、杀菌消毒等净化环节，各环节的作用分别是什么? 沉降是加入絮凝剂后使水中悬浮颗粒发生凝聚而沉降；过滤是用沙子滤除水中较小的颗粒；杀菌消毒是用氯气或其他消毒剂杀死水中的细菌。 2.天然水经处理后得到的自来水是纯净物还是混合物?为什么? 经处理后得到的自来水是混合物，水中可溶性物质没有完全被除去。 有些净水器是利用活性炭吸附除去水中的颜色和异味，达到净水的目的。 活性炭是一种常见的吸附剂，主要含碳，是一种人造的黑色多孔的固体物质具有很强的吸附性能，在防毒面具中用来除去某些有毒气体，在工业上可用来脱色、净化溶液等。 活性炭经过处理可以重复使用。 在实际的生产生活中，要根据水中所含杂质的种类和水的使用要求，综合运用多种净化方法，同时对水进行消毒处理。 有两瓶无色透明的液体，其中一瓶是蒸馏水，另一瓶是氯化钠溶液通过下面的实验，能将它们区别开来吗? 从瓶中各取少许液体，用玻璃棒分别蘸取后在酒精灯火焰上灼烧，直至水被蒸干，观察现象。 能。各取样品少许，用玻璃棒分别蘸取后在酒精灯火焰上灼烧，蒸千后出现白色固体的是氯化钠溶液，蒸干后没有固体残留的是蒸馏水。 外观上看起来清澈的水，也可能含有某些可溶性物质。如果某个水样加热蒸干后有固体物质析出,则其一定含有可溶性物质。 如需制备更纯净的水，可用蒸馏等方法。实验室里，通常采用特定的蒸馏装置,加热水至沸腾,再将水蒸气冷凝，收集得到蒸馏水。 用离子交换树脂净水 离子交换树脂是一种人工合成的多孔性的新型高分子材料，能够与水中的阴阳离子交换，起到净化水的作用。利用离子交换树脂还可以获得去离子水。离子交换法常用于处理硬水和海水。 我国某些地区的天然水(如石灰岩地区的井水、河水)中溶有较多含钙、镁离子的可溶性物质，通常称为硬水;不含或仅溶有少量含钙、镁离子的可溶性物质，通常称为软水。用硬水洗涤衣物时，加入肥皂水产生的泡沫很少，甚至会形成白垢，严重影响洗涤剂的使用效果。长期饮用硬水对人体健康也不利，一些工业生产也不能使用硬水。选择适当的离子交换树脂进行处理，当硬水通过软水机内的树脂时，水中的钙、镁离子被树脂交换除去，流出的水即为软水。 三、水资源的综合利用 在漫长的历史中，人类逐水而居，文明傍水而生。人们用水灌溉土地，满足农业生产需要，形成了传统的取水和供水方式。随着我国国民经济的飞速发展，人口数量不断增长，人们对生活质量的要求也逐步提高。在此情况下，人们对于水的需求会发生怎样的变化? 请对表2-2数据进行多角度的分析，并借助柱状图或折线图等进行比较，你能从中得出哪些有意义的结论?各类用水所占比例发生变化的原因可能是什么? 表2-2 我国不同年份的用水量比较 总体来看，我国不同时期的年用水总量呈现较明显的增加趋势，对于水资源总的需求量越来越大。 分析各类用水所占比例可以发现：农业用水比例有明显下降，进入21世纪后基本稳定；工业用水比例不断增加，这正是我国改革开放后工业快速发展的证明，近些年保持稳定且有下降趋势，反映了工业结构调整和用水效率的提高；生活用水比例持续增加反映了人民生活水平的日益提高。 人工生态环境补水量的比例逐渐升高，这说明我国对生态环境保护的力度逐渐加大，更重视生态环境的可持续发展。 总体来看，我国不同时期的年用水总量呈现较明显的增加趋势，对于水资源总的需求量越来越大。分析各类用水所占比例可以发现：农业用水比例有明显下降，进入21世纪后基本稳定；工业用水比例不断增加，这正是我国改革开放后工业快速发展的证明，近些年保持稳定且有下降趋势，反映了工业结构调整和用水效率的提高；生活用水比例持续增加反映了人民生活水平的日益提高。 特别值得指出的是，水资源节约意识增强，人工生态环境补水量的比例逐渐升高，这说明我国对生态环境保护的力度逐渐加大，更重视生态环境的可持续发展。 相对于丰富的海水资源，世界上的淡水资源一直处于紧缺状态，淡水仅占地球水量的约 2.5%。我国的人均水资源占有量仅为世界人均水平的四分之一有超过一半的地区处于严重缺水状态。充分利用丰富的海水资源，有望成为解决人类水危机的重要途径。 海水淡化的实质是将海水中的盐分与水分离，目前各国采用的方法有多种。请你从减少能源消耗和保护环境的角度，设计一种海水淡化的技术路线，画出草图并说明其工作原理。 技术路线：设置一个大型的太阳能集热装置，通过真空管或其他高效集热结构收集太阳能。将收集到的热能传递给一个蒸发池，蒸发池与冷凝室相连。 工作原理：太阳能集热装置吸收太阳能并将其转化为热能，使蒸发池中的海水受热蒸发。产生的水蒸气上升进入冷凝室。在冷凝室中，通过冷却装置(可以利用周围的低温海水或其他自然冷源)使水蒸气冷凝成淡水，收集起来。 而海水中的盐分等物质则留在蒸发池中。这样既利用了可再生的太阳能来提供能量,减少了传统能源的消耗,又避免了 些可能产生污染的过程。对环境较为友好。 科学家正在探寻新方法和新技术，从海水中提取多种物质，对海水进行淡化处理 (图2-36)，以提高海水资源综合利用的价值。 图2-36 海水淡化装置 运用化学方法，不仅可以提高水资源综合利用价值，还能够检测水资源受污染的程度并将其加以净化，实现水资源的重新利用。因此在了解化学知识的同时，每个公民都应该树立保护水资源的意识，养成节约用水、合理用水、防止水污染的良好习惯。我们要牢固树立绿水青山就是金山银山的理念，统水资源、水环境、水生态治理，推动社会的可持续发展。 1.下列物质中属于纯净物的是 ( ) A.从空气中分离得到的稀有气体 B.经过沉淀、过滤、杀菌后得到的矿泉水 C.高锰酸钾加热完全分解后的残余物 D.部分结冰的蒸馏水 D 2.分离下列各组混合在一起的物质，需用到过滤方法的是 ( ) A. 氧气和二氧化碳 B. 食盐和沙子 C.食盐和蔗糖 D. 二氧化锰和铁粉 3. 为防止疾病传染，河水需经处理后方能饮用。常用的措施有： ①加热煮沸；②用消毒剂杀菌消毒；③用过滤等方法净水；④自然沉降。较为合理的处理顺序是________________。 B ④③②① 4.右图为电解水实验示意图。 (1)实验中发生反应的文字表达式为 ________________________________。 (2) a、b两支试管中产生气体的体积比为_______，与试管a连接的是电源的________极，试管a中的气体是________，检验该气体的方法是___________________________________ ___________________________________________________。 水 氢气＋氧气 通电 H2O H2 O2 2 ∶ 1 负 氢气 用燃着的木条点燃该气体，气体能燃烧且发出淡蓝色火焰 5.某学生取少量浑浊的河水倒入烧杯中，先加入少量明矾搅拌溶解，静置一段时间后，如右图所示进行过滤。 (1) 加入明矾的作用是___________________。 (2) 过滤的方式多种多样，实验室中常用___________做过滤层。图示实验缺少的一种仪器是___________，其作用是__________________________________。 吸附水中悬浮的杂质，使其沉降 滤纸 玻璃棒 引流，防止液体溅出或冲破滤纸 (3) 过滤后得到的澄清的液体是纯水吗? ___________(填“是”或“不是”)，理由是_____________________________________________________________________________________________________________________________________________。 不是 过滤只能除去不溶性杂质，水中还可能溶解有其他可溶性杂质，如一些矿物质等 6. 地球上的水资源虽然丰富，但许多国家与地区的淡水资源却非常缺乏。我们在生活中要注意节约用水，保护水资源。请根据水费单估算一下你家每年的用水量和产生的生活污水量，并提出节约用水和净化生活污水的设想。 略 课堂小结 1.如图所示是电解水的简易装置。 (1) A为电源_______极，B为电源______极，实验前先向水中加入少量氢氧化钠的目的是_______________。 正 负 增强导电性 课堂练习 (2) C试管中收集到的气体是________，可以用__________________检验，D试管中收集到的气体是___________。 (3)根据上述实验事实可以得出：水是由____________________组成的。 氧气 带火星的木条 氢气 氢元素和氧元素 2.下列是自来水厂净化水的流程图和小明同学设计的过滤装置及操作示意图： (1)请根据图1回答下列问题： ①将固体和液体分开用___________操作。 ②投药消毒过程发生_________(填“物理”或“化学”)变化。 过滤 化学 (2) 请根据图 2 回答下列问题： ①做实验时，一名同学发现小明的装置和操作中有明显错误。分析一下实验错误在哪里? __________________、___________________。 ②小明同学改进装置并正确操作，过滤后的滤液仍然浑浊，可能的原因有(写条即可)：_______ __________________________________________。 没有用玻璃棒引流 漏斗下端没有紧靠烧杯内壁 滤纸破损(或漏斗内的液面高于滤纸边缘或盛接滤液的烧杯不干净) 3. 2023年“中国水周”活动主题为“强化依法治水 携手共护母亲河”。以下关于黄河流域水资源的说法不正确的是( ) A.加入明矾能促进黄河水中悬浮杂质沉降 B.可用肥皂水检验黄河水是否为硬水 C.合理使用农药、化肥以减少水体污染 D.黄河水经过沉降、过滤和灭菌操作可得到纯净的水 D $$