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摘要：水壶与暖水瓶水垢中含有害元素，一般没有引起人们的重视。用硝酸提取水垢中的镉，形成镉试液。利用鉴定镉的特效反应，设计了定性检测水垢中镉的探究实验。结果表明：水垢中含有镉。应防止水壶与暖水瓶中水垢的形成，建议最好能定期清除水垢。
关键词：定性检测镉；实验设计；实验探究；清除水垢方法
文章编号：1005–6629（2016）4–0067–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
1 引言
水壶与暖水瓶是每个家庭和办公室的必需用品。不少人拥有的水壶与暖水瓶使用了多年，壶与瓶中的水垢有不同程度的积累。水垢中除大部分为碳酸钙、碳酸镁外，还含有镉、汞、铅、砷等有害物质，很少有人会因此而清除水垢。如果不经常清除水垢，反复用来烧水、装水，有害元素积累会越来越多，并能再次溶于水中，当人们饮用后就会进入人体。镉可在人体内慢慢积累，潜伏期一般为2～8年，也可延长为10～30年。最初是受害者的腰、腿、脚以致全身关节疼痛，而后导致骨折、骨质软化萎缩、全身神经痛、高血压、肾炎及内分泌失调等病症，最后导致死亡，医学上称为“骨痛病”。慢性镉中毒还会影响人体正常的生育能力，并造成“阴盛阳衰”，严重危害人体健康[1]。水壶中的水垢在300～500g时，每烧开一壶水所需时间约需延长4～7min，这就大大增加了能耗[2]。通过对水壶与暖水瓶水垢中镉的探究，可使学生体验探究过程，掌握探究方法；明确水垢中确实含有有毒物质；用带有水垢的壶烧水还会浪费能源。通过经常清除和预防水壶和暖水瓶中的水垢，进一步认识化学与生活的密切联系，懂得学以致用的重要性。
2 探究目标
（1）知道水垢的主要成分，了解水垢中有毒物质对人体的危害。
（2）探究水垢中的镉。
（3）体验观察、记录、判断、推理等科学方法在科学探究中的重要作用。
3 实验用品
仪器：离心机、离心管、学生天平、玻璃棒、白色点滴板、滴管、烧杯（50mL、100mL）
试剂：6mol/L HNO3、1：1甘油、6mol/L NaOH、HCl（3mol/L、6mol/L）、50g/L硫代乙酰胺（TAA）、3mol/L NaAc
材料：滤纸、蒸馏水
试样：当地水壶或暖水瓶中水垢（已干燥）
4 实验原理
试液中加入1：1甘油和过量浓NaOH溶液，后离心分离，沉淀经稀甘油-碱溶液洗涤后，溶于3mol/L HCl中，用水稀释试液至酸度为0.3mol/L，加TAA并于沸水浴上加热，如有黄色沉淀（CdS）析出，表明有Cd2 [3]。
5 探究活动
5.1 实验方案
向一定量水垢中加入适量6mol/L HNO3，把镉溶解出来，获取试液。（实验前思考或通过查阅资料，明确为什么用硝酸，而不用盐酸？）
向试液中加入甘油和NaOH溶液，获取Cd（OH）2沉淀；将沉淀洗涤、盐酸溶解、加TAA并水浴加热，把得到的沉淀与镉的特效反应现象作对比观察，判断水垢中是否含有镉[4]。
5.2 实验步骤
5.2.1 试样处理（获取试液）
称取已干燥的水壶或暖水瓶中水垢4g于100mL烧杯中，把6mol/L HNO3溶液6mL分3～4次加入烧杯中，充分反应后（可搅拌），把液体转移到离心管中进行离心操作，最后可得到4mL清液（试液）。（体验分多次加入水垢中硝酸的意义，以及每次加入硝酸后需要对反应现象进行仔细观察、记录、判断）
5.2.2 实验检测
取2mL待测液于离心管中，加入甘油溶液（1：1）5～6滴，后滴加6mol/L NaOH至Cd（OH）2沉淀完全，充分振荡，水浴加热1min，离心沉降。沉淀以稀甘油-碱溶液（以6滴NaOH，4滴1：1甘油，10滴水配成）洗净后，以3mol/L HCl数滴溶解，然后重新加入甘油-碱溶液，使Cd（OH）2再次析出，离心沉降，沉淀用3mol/L HCl 3滴溶解，加NaAc 4滴降低酸度，然后加TAA数滴并加热。观察离心管中发生的现象。（体验观察、记录、判断与推理对于探究的重要作用）
现象：离心管底有黄色沉淀生成（约1mg，所用水垢2g）。
结论：水垢中含有镉。
该实验的定性检测限约为0.5mg/g。镉使人中毒量是3～330mg，致死量为1.5～9g[5]。若水壶中有50～100g水垢，则水垢中含镉约25～50mg。若每次烧水约有1/1000的镉溶出，则一壶开水中含镉约0.025～0.05mg，若一天喝半壶开水，则摄入镉约0.013～0.025mg。仅凭该量不足以使人中毒。但镉不是人体的必需元素，我们每天都要喝水，久而久之，镉在人体内就会有一定程度的积累，并且我们日常消费各种食品也会有镉的摄入。如镉的国家标准分别是：鲜蛋、水果0.05mg/kg；面粉、淡水鱼类、肉类、根茎类蔬菜0.1mg/kg；大米、豆类、食用菌、叶菜0.2mg/kg；花生、河虾、河蟹、猪肾0.5mg/kg；淡水软体类、猪肝1.0mg/kg[6]。日常食品中摄入镉，我们大多无法避免，但清除壶中水垢，不仅可以减少镉的摄入，还能降低烧水能耗。因此，为了健康、节能，我们应经常清除水壶和暖水瓶中的水垢。
5.3 思考与讨论
（1）镉的污染来源？
（2）自己家中的水壶和暖水瓶中水垢是否定期清除？为什么？
（3）已经形成的水垢如何清除呢？
（4）怎样才能预防水垢的形成呢？
5.4 达成共识
5.4.1 镉的环境分布和污染来源
地壳中镉的丰度为20ppb，通常与锌共生存。在Zn-Pb-Cu矿石中，含镉浓度最高。所以，炼锌过程是环境中镉的主要来源。在冶炼Pb和Cu时也会排放出镉。镉的工业用途很广，主要用于电镀、增塑剂、颜料生产、Ni-Cd电池生产等。电镀厂在更换镀液时，常常将含镉量高达2200mg/L的废镀液排入周围水体中。另外，在磷肥、污泥和矿物燃料中也含有少量镉。水体底泥对镉虽然存在较强的吸附作用，但这种吸附作用不如汞，而且镉化合物的溶解度比相应的汞化合物大，因而镉在水中的迁移比汞容易[7]。 5.4.2 应定期清除水壶和暖水瓶中水垢
鉴于长期使用含有水垢的水壶和暖水瓶会给人体带来危害，我们应引起重视，定期清除水垢。
5.4.3 去除暖水瓶中水垢方法
①在暖水瓶里倒入250g烧热的醋，浸泡几小时，中间可旋转着摇晃，即可除去水垢[8，9]。
②夏天用浓米汤或面汤灌入暖水瓶中闷置几天自然发酵变酸后，可除去水垢[10]。
③取一些茶叶放入暖水瓶中，倒进开水浸泡，晃动洗刷瓶胆，水垢可除去[11]。
④把小苏打50g放入一杯热水中溶解后，倒入瓶胆中摇动，可除去水垢[12]。
⑤把4～5个鸡蛋壳捣碎，放入瓶胆内，再倒入半碗水，浸泡一会儿，上下摇晃可除去水垢[13]。
5.4.4 去除水壶中水垢方法
①放一小匙小苏打于水壶中，再加入适量水烧沸一段时间，可除去水垢[14]。
②用结了水垢的水壶煮上几次鸡蛋，会收到理想的效果[15]。
③放少量醋于水壶里，烧一段时间，可除去水垢[16]。
5.4.5 防止水垢形成的方法
①在新水壶内放半水壶以上的山芋，加满水，将山芋煮熟，以后再烧水就不会积水垢。但煮山芋后，内壁不能擦洗，否则会失去除垢作用。
②在烧水壶里放一只干净的口罩或一块新棉花，烧水时水垢会被口罩或棉花吸附，时间久了，只需把口罩或棉花换一换。
参考文献：
[1]韩金银.我们周围的化学（第2版）[M].上海：华东师范大学出版社，2008：11.
[2][8][10][11][14][15][16]清渠.生活百科小窍门[M].北京：北京工业大学出版社，2009：130，300.
[3]北京师范大学，华中师范大学，东北师范大学等.分析化学（上）（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2001：15.
[4]北京师范大学，华中师范大学，东北师范大学等.分析化学实验（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2001：47.
[5]常文保.化学词典[M].北京：科学出版社，2008：47.
[6]刘婷婷，王文瑞，徐晓枫.食品中铅、镉、铝、汞污染及检测技术研究进展[J].内蒙古医学，2012，44（20）：57～60.
[7]邵敏，赵美萍.环境化学[M].北京：中国环境科学出版社，2001：150～151.
[9][12][13]中国工人出版社编.家庭实用小窍门[M].北京：中国工人出版社，1990：200.
关键词：定性检测镉；实验设计；实验探究；清除水垢方法
文章编号：1005–6629（2016）4–0067–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
1 引言
水壶与暖水瓶是每个家庭和办公室的必需用品。不少人拥有的水壶与暖水瓶使用了多年，壶与瓶中的水垢有不同程度的积累。水垢中除大部分为碳酸钙、碳酸镁外，还含有镉、汞、铅、砷等有害物质，很少有人会因此而清除水垢。如果不经常清除水垢，反复用来烧水、装水，有害元素积累会越来越多，并能再次溶于水中，当人们饮用后就会进入人体。镉可在人体内慢慢积累，潜伏期一般为2～8年，也可延长为10～30年。最初是受害者的腰、腿、脚以致全身关节疼痛，而后导致骨折、骨质软化萎缩、全身神经痛、高血压、肾炎及内分泌失调等病症，最后导致死亡，医学上称为“骨痛病”。慢性镉中毒还会影响人体正常的生育能力，并造成“阴盛阳衰”，严重危害人体健康[1]。水壶中的水垢在300～500g时，每烧开一壶水所需时间约需延长4～7min，这就大大增加了能耗[2]。通过对水壶与暖水瓶水垢中镉的探究，可使学生体验探究过程，掌握探究方法；明确水垢中确实含有有毒物质；用带有水垢的壶烧水还会浪费能源。通过经常清除和预防水壶和暖水瓶中的水垢，进一步认识化学与生活的密切联系，懂得学以致用的重要性。
2 探究目标
（1）知道水垢的主要成分，了解水垢中有毒物质对人体的危害。
（2）探究水垢中的镉。
（3）体验观察、记录、判断、推理等科学方法在科学探究中的重要作用。
3 实验用品
仪器：离心机、离心管、学生天平、玻璃棒、白色点滴板、滴管、烧杯（50mL、100mL）
试剂：6mol/L HNO3、1：1甘油、6mol/L NaOH、HCl（3mol/L、6mol/L）、50g/L硫代乙酰胺（TAA）、3mol/L NaAc
材料：滤纸、蒸馏水
试样：当地水壶或暖水瓶中水垢（已干燥）
4 实验原理
试液中加入1：1甘油和过量浓NaOH溶液，后离心分离，沉淀经稀甘油-碱溶液洗涤后，溶于3mol/L HCl中，用水稀释试液至酸度为0.3mol/L，加TAA并于沸水浴上加热，如有黄色沉淀（CdS）析出，表明有Cd2 [3]。
5 探究活动
5.1 实验方案
向一定量水垢中加入适量6mol/L HNO3，把镉溶解出来，获取试液。（实验前思考或通过查阅资料，明确为什么用硝酸，而不用盐酸？）
向试液中加入甘油和NaOH溶液，获取Cd（OH）2沉淀；将沉淀洗涤、盐酸溶解、加TAA并水浴加热，把得到的沉淀与镉的特效反应现象作对比观察，判断水垢中是否含有镉[4]。
5.2 实验步骤
5.2.1 试样处理（获取试液）
称取已干燥的水壶或暖水瓶中水垢4g于100mL烧杯中，把6mol/L HNO3溶液6mL分3～4次加入烧杯中，充分反应后（可搅拌），把液体转移到离心管中进行离心操作，最后可得到4mL清液（试液）。（体验分多次加入水垢中硝酸的意义，以及每次加入硝酸后需要对反应现象进行仔细观察、记录、判断）
5.2.2 实验检测
取2mL待测液于离心管中，加入甘油溶液（1：1）5～6滴，后滴加6mol/L NaOH至Cd（OH）2沉淀完全，充分振荡，水浴加热1min，离心沉降。沉淀以稀甘油-碱溶液（以6滴NaOH，4滴1：1甘油，10滴水配成）洗净后，以3mol/L HCl数滴溶解，然后重新加入甘油-碱溶液，使Cd（OH）2再次析出，离心沉降，沉淀用3mol/L HCl 3滴溶解，加NaAc 4滴降低酸度，然后加TAA数滴并加热。观察离心管中发生的现象。（体验观察、记录、判断与推理对于探究的重要作用）
现象：离心管底有黄色沉淀生成（约1mg，所用水垢2g）。
结论：水垢中含有镉。
该实验的定性检测限约为0.5mg/g。镉使人中毒量是3～330mg，致死量为1.5～9g[5]。若水壶中有50～100g水垢，则水垢中含镉约25～50mg。若每次烧水约有1/1000的镉溶出，则一壶开水中含镉约0.025～0.05mg，若一天喝半壶开水，则摄入镉约0.013～0.025mg。仅凭该量不足以使人中毒。但镉不是人体的必需元素，我们每天都要喝水，久而久之，镉在人体内就会有一定程度的积累，并且我们日常消费各种食品也会有镉的摄入。如镉的国家标准分别是：鲜蛋、水果0.05mg/kg；面粉、淡水鱼类、肉类、根茎类蔬菜0.1mg/kg；大米、豆类、食用菌、叶菜0.2mg/kg；花生、河虾、河蟹、猪肾0.5mg/kg；淡水软体类、猪肝1.0mg/kg[6]。日常食品中摄入镉，我们大多无法避免，但清除壶中水垢，不仅可以减少镉的摄入，还能降低烧水能耗。因此，为了健康、节能，我们应经常清除水壶和暖水瓶中的水垢。
5.3 思考与讨论
（1）镉的污染来源？
（2）自己家中的水壶和暖水瓶中水垢是否定期清除？为什么？
（3）已经形成的水垢如何清除呢？
（4）怎样才能预防水垢的形成呢？
5.4 达成共识
5.4.1 镉的环境分布和污染来源
地壳中镉的丰度为20ppb，通常与锌共生存。在Zn-Pb-Cu矿石中，含镉浓度最高。所以，炼锌过程是环境中镉的主要来源。在冶炼Pb和Cu时也会排放出镉。镉的工业用途很广，主要用于电镀、增塑剂、颜料生产、Ni-Cd电池生产等。电镀厂在更换镀液时，常常将含镉量高达2200mg/L的废镀液排入周围水体中。另外，在磷肥、污泥和矿物燃料中也含有少量镉。水体底泥对镉虽然存在较强的吸附作用，但这种吸附作用不如汞，而且镉化合物的溶解度比相应的汞化合物大，因而镉在水中的迁移比汞容易[7]。 5.4.2 应定期清除水壶和暖水瓶中水垢
鉴于长期使用含有水垢的水壶和暖水瓶会给人体带来危害，我们应引起重视，定期清除水垢。
5.4.3 去除暖水瓶中水垢方法
①在暖水瓶里倒入250g烧热的醋，浸泡几小时，中间可旋转着摇晃，即可除去水垢[8，9]。
②夏天用浓米汤或面汤灌入暖水瓶中闷置几天自然发酵变酸后，可除去水垢[10]。
③取一些茶叶放入暖水瓶中，倒进开水浸泡，晃动洗刷瓶胆，水垢可除去[11]。
④把小苏打50g放入一杯热水中溶解后，倒入瓶胆中摇动，可除去水垢[12]。
⑤把4～5个鸡蛋壳捣碎，放入瓶胆内，再倒入半碗水，浸泡一会儿，上下摇晃可除去水垢[13]。
5.4.4 去除水壶中水垢方法
①放一小匙小苏打于水壶中，再加入适量水烧沸一段时间，可除去水垢[14]。
②用结了水垢的水壶煮上几次鸡蛋，会收到理想的效果[15]。
③放少量醋于水壶里，烧一段时间，可除去水垢[16]。
5.4.5 防止水垢形成的方法
①在新水壶内放半水壶以上的山芋，加满水，将山芋煮熟，以后再烧水就不会积水垢。但煮山芋后，内壁不能擦洗，否则会失去除垢作用。
②在烧水壶里放一只干净的口罩或一块新棉花，烧水时水垢会被口罩或棉花吸附，时间久了，只需把口罩或棉花换一换。
参考文献：
[1]韩金银.我们周围的化学（第2版）[M].上海：华东师范大学出版社，2008：11.
[2][8][10][11][14][15][16]清渠.生活百科小窍门[M].北京：北京工业大学出版社，2009：130，300.
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[4]北京师范大学，华中师范大学，东北师范大学等.分析化学实验（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2001：47.
[5]常文保.化学词典[M].北京：科学出版社，2008：47.
[6]刘婷婷，王文瑞，徐晓枫.食品中铅、镉、铝、汞污染及检测技术研究进展[J].内蒙古医学，2012，44（20）：57～60.
[7]邵敏，赵美萍.环境化学[M].北京：中国环境科学出版社，2001：150～151.
[9][12][13]中国工人出版社编.家庭实用小窍门[M].北京：中国工人出版社，1990：200.