38屆台南縣科學展覽第一名作品 [back]
這是我們喝的水嗎?
一.研究動機:
丁國峰同學家中新裝置RO逆滲透濾水器，裝配好後裝配員取了一杯過濾的水及一杯自來水，將『美國水電解器』放入電解幾分鐘後，結果自來水的那一杯經電解後產生了許多的懸浮物，好可怕喔！而經過 RO逆滲透處理過的水則清澈透明。丁國峰覺得好奇怪在理化第一冊第三章老師曾教我們“水的電解”實驗，是以迴紋針當兩極並加NaOH幫助導電，才產生氣泡。因純水不導電，須加NaOH或才能導電。但是此電解器為什麼不必加NaOH或就可以導電了呢?於是丁國峰就向裝配員要了一個電解器，拿到學校與老師研究。老師說:自來水經電解器電解之後，會產生污泥，可能與電極棒有關係，你不妨將兩極對調試試，並將兩極棒換成不同的金屬棒實驗看看。於是丁國峰就約了幾個同學找了銅棒、鉛棒去打鐵工廠鑽洞，並到校seven-11買了不同廠牌的礦泉水電解觀察並記錄其結果。
二.研究目的:
1.探討水電解時不必加NaOH而能電解產生氣泡，且產生
污泥狀懸浮物，此是否與水中所含離子多寡有關?2.探討不同電極對各種不同廠牌的礦泉水電解後所產生
的懸浮物是否有不同?3.探討以不同電極電解所產生的懸浮物之成分?
4.提醒各位家庭主婦不要太相信推銷員耍的把戲。
三:研究過程與方法:
1.到seven-11便利商電買下列產牌的礦泉水:
(1).97 natunal spring water埔里名泉
(2)他里霧礦泉水
(3)泰山純水(4)拉霸礦泉水(5)
統一水涵氧純水(6)統一礦泉
水(7)源津礦泉水,各一瓶備用。
2.取自來水、RO純水及上述各產牌的礦泉水80ml置於
100ml的燒杯中分別以正極：鐵棒 負極：鋁棒 (2)正
極：鋁棒 負極：鐵棒 電解之。
3.取80ml的自來水分別以(1)兩極皆鐵棒 (2)兩極皆鋁棒
(3)兩極皆銅棒(4)兩極皆鉛棒，來電解10分鐘並記錄其電解的情形。電解後將溶液攪伴靜置,將懸浮物沉澱,並倒去上面的澄清液,剩下沉澱(4)兩極皆鉛棒，來電解10分鐘並記錄其電解的情形。(4)兩極皆鉛棒，來電解10分鐘並記錄其電解的情形。將沉澱物分別加入HCl、、黃血鹽、赤血鹽、硫氰化鉀，分別觀察其顏色變化，並推測 懸浮液的成分。
研究結果﹕
(表一)
| 樣品 | 他里霧礦泉水 | 97 natunal spring water |
| 電極 | 正極:鐵棒 負極:鋁棒 | 正極:鐵棒 負極:鋁棒 |
| 電
解
情
形 |
紅棕色懸浮物 深褐色懸浮物 藍綠色透明溶液
4.以石蕊試紙檢驗呈藍色。 |
|
| 電解 後攪 拌靜置 |
無色. 2.溫度由21°C升至56°C. |
|
| (表二) | ||
| 樣品 | 泰山純水 | 拉霸礦泉水 |
| 電極 | 正極:鐵棒 負極:鋁棒 | 正極:鐵棒 負極:鋁棒 |
| 電
解 情 形 |
深棕色透明溶液
|
暗棕色懸浮物 黑色懸浮物 藍綠色透明溶液 3.以石蕊試紙檢驗呈藍色 |
| 電拌
解後 後靜 |
溶液呈透明無色.
|
溶液呈透明無色. 2.溫度由19°C升至32°C. |
(表三)
| 樣品 | 統一水涵氧純水 | 統一礦泉水(麥飯食) |
| 電極 | 正極:鐵棒 負極:鋁棒 | 正極:鐵棒 負極:鋁棒 |
| 電
解 情 形 |
2.無色溶液à 微黃綠色溶液à 淡黃色 溶液à 黃色透明溶液,無懸浮物出現 黃色透明溶液 3.以石蕊試紙檢驗呈藍色 |
à 黃色透明溶液,液面有金黃色懸浮 物à 液面黃色懸浮物量增加,溶液呈 黃色透明 3.以石蕊試紙檢呈藍色 |
| 電解 後攪 拌靜置 |
2.溫度由14°C升至23 °C |
1.產生橘紅色沉澱物,溶液呈無色透明
|
| (表四) | ||
| 樣品 | 自來水 | 北極冰川水 |
| 電極 | 正極:鐵棒 負極:鋁棒 | 正極:鐵棒 負極:鋁棒 |
| 電
解 情 形 |
咖啡色懸浮物 墨綠色帶棕色懸浮物 藍黑色懸浮物 杯底橘紅色沉澱 |
暗棕色帶綠懸浮物 棕綠色懸浮物 藍色透明溶液 |
| 電拌
解後 後靜 |
2.溫度由14°C升至79 °C. |
1.產生暗棕色、墨綠、橘色沉澱物,
溶液呈透明無色. 2.溫度由19°C升至32 °C. |
(表五)
| 樣品 | 源津礦泉水 | RO 逆滲透水 |
| 電極 | 正極:鐵棒 負極:鋁棒 | 正極:鐵棒 負極:鋁棒 |
| 電
解 情 形 |
3.以石蕊試紙檢驗呈藍色 |
|
| 電解 後攪 拌靜置 |
2.溫度由19 °C升至23 °C. |
2.溫度由19°C升至32 °C. |
| (表六) | ||
| 樣品 | 他里霧礦泉水 | 97 natunal spring water |
| 電極 | 正極:鋁棒 負極:鐵棒 | 正極:鋁棒 負極:鐵棒 |
| 電
解 情 形 |
2.無色溶液à 上層有白色懸浮物產生à 無色透明溶液,上層白色懸浮物逐漸增加產生à . 白色懸浮物 無色透明 3.以石蕊試紙檢驗呈藍色. |
2.無色透明溶液à 無色透明溶液à 無 色透明溶液,液面有白色懸浮物出現à 10分鐘後 白色懸浮物 白濁溶液 3.以石蕊試紙檢驗呈藍色. |
| 電拌
解後 後靜 |
2.溫度由21 °C升至43 °C. |
2.溫度由21°C升至43 °C |
(表七)
| 樣品 | 統一水涵氧純水 | 統一礦泉水(麥飯石) |
| 電極 | 正極:鋁棒 負極:鐵棒 | 正極:鋁棒 負極:鐵棒 |
| 電
解 情 形 |
白色懸浮物 無色透明 3.以石蕊試紙檢驗呈藍色 |
微黃色透明
|
| 電解 後攪 拌靜置 |
2.溫度由19 °C升至24 °C. |
2.溫度由21°C升至30 °C. |
| (表八) | ||
| 樣品 | 泰山純水 | 拉霸礦泉水 |
| 電極 | 正極:鋁棒 負極:鐵棒 | 正極:鋁棒 負極:鐵棒 |
| 電
解 情 形 |
極鋁棒沒有產生氣泡.
明溶液,沒有白色懸浮物析出. 無色透明 3.以石蕊試紙檢驗呈藍色. |
棒產生氣泡的速率很慢.
灰白懸浮物產生à 溶液稍呈淡黃色,液 面有灰白色懸浮物出現,正極附近有小 泡沫產生à 10分鐘後 灰白色懸浮物 微黃色溶液 3.以石蕊試紙檢驗呈藍色. |
| 電拌
解後 後靜 |
明無色. 2.溫度由21°C 升至22 °C |
2.溫度由21°C升至43 °C |
(表九)
| 樣品 | 自來水 | 源津礦泉水 |
| 電極 | 正極:鋁棒 負極:鐵棒 | 正極:鋁棒 負極:鐵棒 |
| 電
解 情 形 |
極鋁棒產生氣泡較慢. 2. 無色溶液à 無色透明溶液,液面有白`色懸浮產生à 無色透明,液面白色 懸浮物增加à 正極液面產生大小不3. 一的白色泡沫懸浮物à 正極棒有金屬光澤的物質析出,負極沒有物質附著 à 白色懸浮物,負極表 面有許多小泡沫產生 白色混濁
|
物產生,但量不多à 白色懸浮物 透明無色
|
| 電解 後攪 拌靜
置 |
色. 2.溫度由19 °C升至37 °C. |
透明無色
|
| (表十) | ||
| 樣品 | RO 逆滲透的水 | 北極冰川水 |
| 電極 | 正極:鋁棒 負極:鐵棒 | 正極:鋁棒 負極:鐵棒 |
| 電
解 情 形 |
1.負極鐵棒產生氣泡的速率很慢,正
極鋁棒幾乎沒有產生氣泡.
無色透明 3.以石蕊試紙檢驗呈藍色. |
1.負極鐵棒產生氣泡的速率較快,正極鋁
棒產生氣泡的速率很慢. 2.無色透明溶液à 無色透明溶液,液面有 灰黑懸浮物產生à 溶液稍呈白色混濁, 液面有灰白色懸浮物出現à 10分鐘後 灰白色懸浮物 微黃色溶液 3.以石蕊試紙檢驗呈藍色. |
| 電拌
解後 後靜 |
1.有白色膠狀物沉澱,溶液呈透
明無色.鋁棒上有白色物質附著. 2.溫度由19°C 升至31 °C |
1.產生微黃色顆粒狀沉澱,溶液呈淡黃色
透明. 2.溫度由19°C升至38 °C |
(表十一)
| 樣品 | 自來水 | 自來水 |
| 電極 | 兩極皆鐵棒 | 兩極皆鋁棒 |
| 電
解 情 形 |
暗棕色懸浮物 黑藍色懸浮物 墨綠色混濁溶液
|
物產生à 白色懸浮物增多,溶液呈 無色透明à 白色懸浮物 透明無色
|
| 攪拌後靜置 |
液呈微黃色.
|
1杯底產生一些白色膠狀物沉澱,溶液呈
透明無色 2.溫度由23°C升至47 °C . |
| (表十二) | ||
| 樣品 | 自來水 | 自來水 |
| 電極 | 兩極皆是銅棒 | 兩極皆是鉛棒 |
| 電
解 情 形 |
減少變成黑色 3.以石蕊試紙檢驗呈藍色. |
1.兩極皆產生氣泡.
2.無色透明溶液à 無色透明溶液,液面有 白色懸浮物產生à 溶液呈白色混濁, 液面白色懸浮物增多à 10分鐘後 白色懸浮物 白色混濁 白色沉澱,此白色沉澱與Al(OH)3 的膠狀物不同. 3.以石蕊試紙檢驗呈藍色. |
| 攪拌後靜置 | 1.所有藍綠色懸浮物皆溶解,形成黑色的沉澱物.
2.溫度由19°C 升至57 °C |
1.產生白色粉狀沉澱,溶液稍呈白濁.
2.溫度由19°C升至73 °C |
(表十三)
| 樣品 | 自來水 | 自來水 |
| 電極 | 正極:鉛棒 負極:銅棒 | 正極:銅棒 負極:鉛棒 |
| 電
解 情 形 |
速率較快. 2. 無色溶液à 白色混濁溶液 à 負極 液面有白色泡沫產生à 銅棒上附著 許多亮亮的氣泡,鉛棒上附著幾顆 亮亮的氣泡. 3.以石蕊試紙檢驗呈藍色 |
色,鉛棒液面有許多白色泡沫產生, 液面變成淡藍綠色懸浮物à 液面變 成藍白色懸浮物 ,溶液溫度變成56 度,溶液變成淡黃色 à 液面藍白色 懸浮物,溶液變成棕色透明à 液面 變成藍,白,黑懸浮物 à 溶液由棕色 變成咖啡色混濁à 藍白色懸浮物減 少,黑色懸浮物增多 3.以石蕊試紙檢呈藍色 |
| 攪拌後靜置 |
色混濁.
|
1杯底產生一些黑色沉澱物,溶液呈棕色,液面上剩下少許的藍綠色懸浮物.
2.溫度由19°C升至25 °C . |
2.以鐵棒當正極 鋁棒當負極 所產生的暗褐色、棕色、黑色沉澱取
出加入鹽酸，則沉澱物溶解，生成紅棕色的溶液。將此紅棕色溶
液靜置一小時後顏色會變淡生成棕色透明溶液，再靜置一段時間
溶液會變成淡的黃綠色透明溶液。將此黃綠色溶液分別加黃血鹽
、赤血鹽、硫氰化鉀檢驗其結果如下：
黃綠色溶液 + 赤血鹽 à 藍綠色溶液
黃綠色溶液 + 黃血鹽 à 藍色沉殿
黃綠色溶液 + KSCN à 血紅色溶液
3.以鋁棒當正極 鐵棒當負極 所產生的白色膠狀物，加鹽酸或NaOH
白色膠狀物 + 鹽酸 à 無色溶液
白色膠狀物 + NaOH à 無色溶液
4.以銅棒當正極 鉛棒當負極 或兩極皆為銅棒 所產生的藍色懸浮物
及黑色懸物取出
藍色、黑色懸浮物 + 鹽酸 à 棕色溶液 à 淡藍色溶液
淡藍色溶液 + 赤血鹽 à 黃色溶液
淡藍色溶液 + 黃血鹽 à 紅棕色溶液
淡藍色溶液 + KSCN à 黃綠色溶液
淡藍色溶液 + NH3 à 深藍色溶液
5.以鉛棒當正極 銅棒當負極 或兩極皆鉛棒所產生的白色沉澱物取出
白色沉澱物 + HNO3 à 無色溶液 + KI 溶液 à 生成黃色沉澱白色沉澱物 + 鹽酸 à 不溶解
白色沉澱物 + NaOH à 沉澱溶解成無色溶液
6. 以鐵棒當正極時電解所產生的紅棕色、暗褐色、黑色懸浮物，若加入
一小杓的食鹽則懸浮物會變成更墨綠，且量逐漸增加。
五.討論建議:
在seven-11 買到的礦泉水的成分為:
| 編號 | 樣 品 | 成 分 |
| 1 | 97 natunal spring water | Ca:2.86mg Na:0.47mg Mg:054mg 氯化物:2.41
矽酸鹽:3.46mg |
| 2 | 拉霸礦泉水 | Na:4.5-7.5mg Ca:6.0-16.0mg
Fe:0.01-0.03mg
Mg:4.0-8.0mg F:0.08-0.10mg HCO-全鹼量38-58 as CaCO3 全固體量 50-100 pH=7.0-8.0/升 |
| 3 | 他里霧礦泉水 | Fe:0.15ppm Ca:25ppm Mg:3.8ppm pH=7.2/600ml |
| 4 | 北極冰川水 | Mg:2.41mg Na:1049mg K:2.6mg Ca:4.0mg
可溶性總固形物<6.2ppm pH=7.1 /每升 |
| 5 | 統一礦泉水
(麥飯石) |
Na:5.2mg /600ml |
| 6 | 泰山純水 | Na:5.2mg/600ml |
| 7 | 統一水涵氧純水 | Na:4mg/600ml pH=6.0-7.0 |
| 8 | 源津礦泉水 | Ca:0.4ppm Fe:0.012ppm Mg:0.1ppm
pH=6.5-8.5
總固體量0.40ppm |
| 9 | 自來水 | Fe:0.04mg Ca:5.44mg Mg:2.28mg 氨態氮:0.42
Mg 硝酸態氮:0.34mg 餘氯:0.39 總硬度TH (as CaCO3):31mg 懸浮固體:2mg |
| 10 | R0逆滲透水 | Na:0mg Cl:mg Mg:0mg Ca:mg P:0mg
Cl-:0mg
有機物:0mg 沉澱物:0mg |
由表中得知
水中含金屬離子或礦物質越多，電解時產生的懸浮物會越多。取同量的各品牌的水以鐵棒當正極，鋁棒當負極，電解10分鐘後靜置比較其沉澱物的多寡由多至少依次為: 自來水> 97 natunal water > 拉霸礦泉水> 他里霧礦泉水 > 統一礦泉水 > 北極冰川水> RO 逆滲透水> 泰山純水> 統一水涵氧水
以鋁棒當正極 鐵棒當負極，電解10分鐘則產生白色沉澱物由多至少依次為自來水> 統一礦泉水 > 他里霧礦泉水 > 拉霸礦泉水 > 97 natunal water > 北極冰川水 > RO 逆滲透水 > 泰山純水 > 統一水涵氧
以不同的電極電解水所產生的懸浮物或沉澱物，是依正極棒的金屬而定，以負極棒無關。
以鐵棒當正極 鋁棒當負極 或兩極皆鐵棒其反應如下 :
正極:因鐵棒放出電子的能力比水大，故由鐵棒放出電子
Fe à Fe =3 + 3e- E。 = 0.04 V
H2 O à O2 + 2e- +2 H= E。 = - 0.82V
故正極反應為 Fe à Fe=3 + 3e- Fe=3 會向負極移動
負極:由水吸收電子生成H2，並生成 OH- ， OH- 會向正極游動
2 H2 O + 2 e- à H+ + 2 OH-
Fe=3 與OH -作用生成Fe(OH)3 沉澱 ，若加入一小杓的食鹽則溶
液中因含氯離子，而與Fe3=作用生成FeCl63-的紫黑色錯離子，故懸浮
液會呈現更多的近似黑色的懸浮液。
Fe =3 + 3OH- à Fe(OH)3
Fe =3 + Cl- à Fe Cl6-3
Fe(OH)3 Ksp = 3×10-39 當[Fe3=] = 1.0M 時
Ksp =[Fe=3][OH-]3
3×10 -39 =1.0 ×[OH-]3 [OH -] = 3√3×10 –13 M
H2O à H+ + OH - [OH-] =1×10 –7 M
因10-7 > 3√3 ×10-13 所以Fe(OH)3 會產生沉澱。
(2)電解時之所以會產生懸浮液是因為電解過程中產生氣泡，此氣體將沉
澱物往上擠，停止電解時沒有產生氣泡，壓力減少故懸浮物會下沉
4.若以鋁棒當正極，負極棒為鐵或兩極皆是鋁棒時皆會產生白色懸浮物，
此因正極鋁棒放出電子的能力比水強，故由鋁棒放出電子。
正極反應: Al à Al=3 + 3e-
負極反應: H2 O +2 e- à H2 +2OH- OH- 會往正極移動與Al+3 作用
Al+3 + 3OH- à Al(OH)3 白色懸浮物 故在正極液面上會有大小不一的灰
白色泡沫，正極棒上有金屬光澤的物質析出。
∵ Al(OH)3 Ksp = 3.5×10-34 當[Al+3]=1.0M 時
Ksp = [Al+3]?[OH-]3 3.5×10-39 = [1.0] × [OH-]3
∴ [OH -]= 3√35×10-11
而H20à H+ + OH - [OH-]=1.0×10-7 M
∴1.0 ×10-7 > 3√35×10-11
故AL(OH)3 會產生沉澱。 將此白色沉澱物靜置取出加HCl(Q) 或NaOH 則
沉澱物會溶解。因Al(OH)3 是兩性物質。
5.以鐵棒當正極時所產生的棕色物質因含有Fe+3 很容易被氧化成Fe2 O3 或
Fe3 O4 的暗褐色沉澱。
暗褐色沉澱 30s 3hr 放置一天
紅棕色沉澱 + HCl à 暗棕色溶液 à 紅棕色溶液à 黃綠色溶液
墨綠色沉澱 ( Fe+3 ) (Fe+2)
赤血鹽 藍綠色溶液
黃綠色溶液+黃血鹽 à 藍色沉澱
硫氰化鉀 血紅色溶液
Fe+3 + K4Fe(CN)6 à 4K+ +[Fe (CN)6]3
黃血鹽 普魯士藍 (藍色沉澱)Fe+3 + SCN - à FeSCN +2
硫氰根離子 硫氰鐵離子(血紅色)
Fe+2 + K3Fe(CN)6 à 不生沉澱，藍綠色溶液 赤血鹽
6.以銅棒當正極 鉛棒當負極或兩極皆銅棒，所產生的藍綠色懸浮物應為
Cu(OH)2 ，Cu(OH)2 遇高溫會生成CuO的黑色懸浮物。
Cu(OH)2 à CuO + H2O
Cu(OH)2 + 2HCl à Cu2= +2Cl- +2H2O
Cu+2 + K4Fe(CN)6 à 4K+ +Cu2Fe (CN)6
黃血鹽 紅棕色沉澱
Cu2+ + 4NH3 à Cu(NH3)4=2 (氨水一直滴到沉澱完全溶解，此時
深藍色 生成深藍色的Cu(NH3)4=2 )
7.以鉛棒當正極 銅棒當負極或兩極皆為鉛棒，所產生的白色粉沫狀沉澱物
應為Pb(OH)2
Pb à Pb2= + 2e -
Pb + 2OH- à Pb(OH)2 白色粉狀物
Pb(OH)2 + 2 HCl à PbCl2 + 2H2O 故 Pb(OH)2 沉澱物好像沒有溶解
白色粉狀 ，
Pb(OH)2 + H2SO4 à PbSO4 + 2H2O Pb(OH)2 沉澱物好像沒有溶解
Pb(OH)2 + 2HNO3 à Pb+2 + 2NO 3- +2H2O 沉澱物溶解
Pb(OH)2 +2KI à PbI2 + 2k+ +2OH- 產生黃色PbI2沉澱故證明有Pb=2 黃色沉澱 存在
8.電解各樣品的水10分鐘後，產生懸浮物的多寡與溫度的升高有
關，懸浮物越多，所升高的溫度越高。此與水中所含的礦物質有
關，尤其與Mg+2、 Ca+2、 Fe+2 離子含量的多寡有關。
| 樣品 | Ca2+ | Mg2+ | Fe2+ | Na+ | 以鐵棒
當正極 |
升高的
溫度 |
以鋁棒
當正極 |
升高的
溫度 |
| 自來水 | 5.44 | 2.28 | 0.04 | - | 14-79℃ | 65℃ | 19-77℃ | 58℃ |
| 他里霧礦泉水 | 25 | 3.8 | 0.15 | 0 | 21-56℃ | 35℃ | 21-43℃ | 22℃ |
| 統一礦泉水 | 0 | 0 | 0 | 5.2 | 14-21℃ | 7℃ | 21-30℃ | 9℃ |
| 拉霸礦泉水 | 6-16 | 4.0-8.0 | 0.01-0.03 | 4.5-7.5 | 19-32℃ | 13℃ | 21-43℃ | 22℃ |
| 北極冰川水 | 4.0 | 2.41 | 0 | 1.49 | 19-32℃ | 13℃ | 19-38℃ | 19℃ |
| 97natunal spring
water |
2.86 | 0.54 | 0 | 0.47 | 21—31℃ | 10℃ | 21-38℃ | 17℃ |
| 統一水涵氧 | 0 | 0 | 0 | 4 | 14-23℃ | 9℃ | 19-24℃ | 5℃ |
| 源津礦泉水 | 0.4 | 0.1 | 0.012 | 0 | 19-23℃ | 4℃ | 21-25℃ | 4℃ |
| RO逆滲透水 | 0 | 0.1 | 0 | 0 | 19-20℃ | 1℃ | 19-20℃ | 1℃ |
| 泰山礦泉水 | 0 | 0 | 0 | 5.2 | 19-21℃ | 3℃ | 21-22℃ | 1℃ |
六.參考文獻：
國立臺灣師範大學科教中心 (民84)，高中化學 ，第二、第 三
冊。台北市，國立編譯館。
沈元肇 (民64 ) ，標準水質檢驗法。臺灣省環境衛