实验室重金属废弃物的毒性探究及污染处理

实验室重金属废弃物的毒性探究及污染处理山东省青岛第十七中学刘娜一、使用教材鲁科版教材，高二，化学反应原理二、实验背景1.社会趋势教育不仅要面对当下，也要面向未来。环境和经济之间的矛盾，是我们的学生未来走向社会需要思考和解决的问题。2.实际问题我们发现，实验室对Cu2+、Cr2O72-的废弃物一般是直接排放。我们想研究一下如何处理。Cu2+、Cr2O72-废弃物的处理是一个真实的问题，研究出的方法可用于解决实验室重金属污染，是学生未来绿色生产的微型模拟。此外，化工生产中，炼钢排放的废渣，皮革工业，电镀等会产生含铜或铬的废弃物。研究重金属的毒性和处理是有价值的。3.实验不足照方抓药的实验有禁锢学生思维的不足。实验创新包括新技术、新方法、新材料，也包括实验主题创新。4.学情分析中国学生缺少的不是解题，而是用所学化学解决实际问题的机会和能力。中国学生创新精神和实践能力不足是“中国制造”到“中国智造”转型的阻碍之一。需要教师有意识的引导创新和实践。三、实验器材学生自己制作的自动滴定仪（山东省创客大赛一等奖），凤尾鱼，花生，含Cu2+和Cr2O72-的废水，电解装置，铅笔芯，烧杯，容量瓶，移液管，氧气传感器，比色传感器等四、实验创新点1.学科融合：用鱼、花生做实验验证铜离子和重铬酸根的毒性，实现了化学和生物的学科融合2.传统实验的改进：学生自己制作了自动滴定仪滴定，规避了人为的终点判断造成的误差3.现代技术的应用：（1）用原子吸收测定微量Cu2+（2）用手持技术测定溶解氧（3）用紫外分光光度和比色传感器测定Cr2O72-浓度五、实验思路图1实验思路在活动中，在实验中，使化学学科核心素养落地。六、实验教学目标根据这个主题和学情，制定目标如下：1.知识与技能（1）应用氧化还原、离子反应、沉淀溶解平衡解决Cu2+和Cr2O72-废弃物的污染（2）了解现代仪器分析在化学检测中的作用2.过程与方法（1）知识整合零散，围绕真实问题，自主设计实验，体验科学探究的程序（2）控制变量方法的具体应用3.情感态度与价值观（1）发展发现问题、分析问题、解决问题的能力（2）在活动中发展学科核心素养，构建环境保护的意识和能力（3）在活动中发展合作精神、劳动意识和严谨求实的科学态度七、实验教学过程采用项目学习的方式，学生分组，将4个研究任务抛给学生，学生自主、合作、探究完成，课堂展示汇报。重金属的处理在课堂开展分组实验。教师给学生提供资源支持和方法指导。寻求信息技术和化学学习的深度融合。课前借助百度、知网、QQ群学习，课堂借助iPAD录实验，阅读研究报告，分享实验感悟。(一)探究重金属的毒性设计实验，证明Cu2+和Cr2O72-的毒性1.Cu2+的毒性实验1采用控制变量的方法，设置一定浓度梯度的硫酸铜溶液，将形态接近的草鱼放入其中，观察记录鱼死亡时间。图2 Cu2+对草鱼生长的影响2.Cr2O72-的毒性实验2设置一定浓度梯度的重铬酸钾溶液，将形态接近的凤尾鱼放入其中，观察记录鱼死亡时间。实验材料优化：草鱼（易缺氧），改为凤尾鱼（需要氧气量少）图3 Cr2O72-对凤尾鱼生长的影响【设计意图】通过控制变量的实验，使学生感性的观察到重金属的毒性，实验结果有冲击力。实现了化学和生物的学科融合。实验材料易得。学生分析实验数据还发现，铜离子的毒性大于重铬酸根。在实验中，学生的思维从定性转向定量。(二)测定重金属浓度检测废水中铜离子、重复铬酸根浓度1.利用滴定法测定铜离子浓度（碘量法）2.用自动滴定仪测浓度(如图为自动滴定仪，获山东省创客大赛一等奖)说明：自动滴定仪的某些部件为学生3D打印制作（先在电脑上设计模型尺寸）。2Cu2+ 4I-= 2CuI + I2用Na2S2O3滴定生成的I2，进而测定Cu2+浓度，淀粉作指示剂图4碘量法测定Cu2+浓度图5学生自己制作的自动滴定仪（山东省创客大赛一等奖）【设计意图】巩固滴定的技能。推进创客，在模仿的基础上进行创新。创客有利于培养复合型人才，开拓了教师的思维和视野。(三)重金属的处理处理含铜离子和重铬酸根的废水1.设计 2.实验 3.交流铜离子：沉淀法：Cu(OH)2，CuS(更好)电解法：回收铜（1g/L）重铬酸根：方案1 NaHSO3还原方案2 FeSO4还原方案3 Na2S2O3还原方案4 BaCrO4沉淀法设计方案，动手实验，互相讨论，解决实验中遇到的问题方案的优化：针对设计的方案，进行评价图6 Cu2+处理方案Cu(OH)2沉淀法CuS沉淀法电解法除Cu2+并回收铜 （1g/L有经济效益）图7 Cu2+处理实验照片图8 Cr2O72-的处理方案（还原法，沉淀法）方案1 NaHSO3还原法方案2 Fe2+还原法方案3 Na2S2O3还原法方案4 BaCrO4沉淀法图9 Cr2O72-的处理学生实验照片图10 Cr2O72-的处理方案评价选自：化学沉淀法处理含铬废水的成本比较 邱明亮 环境保护与循环经济2012.3实验方案的优化：从知网下载的文献认为：处理六价铬的经济成本：硫代硫酸钠法亚硫酸氢钠法钡盐法法硫酸亚铁法实验经验：由于Cr(OH)3为两性，生成时对pH要求较高，为8-9，不容易控制。实验室中转化为BaCrO4容易控制，但最好氢氧化钠溶液是浓的，氯化钡为饱和溶液，并要用硫酸钠除去过量的氯化钡。【设计意图】围绕一个实际问题的解决盘活了很多核心的化学知识，包括氧化还原、离子反应、沉淀溶解平衡，学生将零散的知识内化、整合、迁移应用。学生学到了实验设计和方案评价。(四)测定重金属是否超标图11到青岛科技大学学习原子吸收测铜离子浓度图12到青岛水务集团学习分光光度测重铬酸根浓度【设计意图】使学生认识到，常量和微量的检测方法不同。现代技术能解决传统实验无法解决的问题。初步了解原子吸收光谱、分光光度法的原理。外出考察使我们意识到：传统实验和现代技术并不是排斥而是互补的关系。这个环节很重要的价值是学生的思维提升了一个层次。昨天我们把教室当作世界，今天我们把世界当作教室。网络资源、社会资源是一个巨大的资源库，引领学生在更加广阔的空间学习化学。(五)实验拓展实验中发生了许多意外，通过讨论、查资料、实验，我们完全或者部分解决了意外。发现问题：文献认为六价铬的毒性大于三价铬，学生实验发现三价铬毒性更大。到底是实验错了还是文献错了？学生的质疑精神非常可贵。并用溶解氧传感器解决了实验设计不严谨的问题。图13加Na2SO3自来水中的溶解氧下降实验经验：学校手持技术溶解氧传感器测定溶解氧数据不稳定，同一传感器测定同一份水样数据也会不同。但可以测定相对值。外借美国哈希溶解氧传感器数据较为稳定。【实验顿悟】我们体会到了化学教育家傅鹰提出的：提出一种机理解释一种现象是容易的，困难的是用实验证明这种机理是正确的，而且是唯一正确的。盘活校内手持技术，为学生发展服务，降低教育投资的沉没成本。（六）汇报展示汇报实验中的收获与感悟（七）实验延伸1.重金属对生物的影响：重金属使生物死亡只是一个表面现象，微观本质是什么？会影响DNA吗？重金属对植物有什么影响？会通过食物链转移到人体中吗？学生设计实验：花生放在一定浓度梯度的CuSO4溶液，后期利用学校的电镜做实验。学生思维发展：宏观到微观（分子水平）2.能否用学校的显微镜观察重金属对草履虫运动、分裂有什么影响？3.实验室还有其他有毒废弃物吗？如何处理？图14 Cu2+对发芽花生生长的影响八、实验效果评价1.学习方式：采用“项目学习”的方式，用一个实际问题的解决，串起一系列的化学知识。应用了氧化还原、沉淀溶解平衡、配溶液、滴定等高中重要的基础知识与技能，是化学知识和实验能力的综合锤炼。2实验方式：传统的实验不能抛弃，也要勇于尝试新技术，但技术的使用是在必要的时候。课外探究向校外拓展，在更广阔的空间学化学。充分挖掘网络资源、学校现有资源和社会资源。3.实验价值:用鱼和花生为载体证明重金属的毒性，体现了学科融合，能帮助学生构建立体的知识体系。实验中，不仅学生，老师也被学生逼着知识、能力、价值观获得综合提升。研究出的重金属处理方法可以用于实验室降低重金属污染。4.实验伦理：老师和同学都对用鱼做实验提出质疑。小型模拟实验引起警示，减少无意识或只追求经济利益造成的生物死亡。少数小鱼的死亡是为了赢得更多小鱼的存活。5.实验问题：本主题涉及到十几个实验，实验周期长，内容多。我们将实验任务分配给不同的学生，降低实验难度，让更多学生获得在实验中成长的机会。6.互连网+：寻求信息技术和化学学习的深度融合，我们用手机、