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摘 要 鲁科版高中化学新教材在“化学与生活”模块中涉及从各种途径获取生活饮用水,在“化学与技术”模块中详细介绍氯碱工业。以此为切入点,编写这篇介绍离子水知识的学生阅读材料,供一线高中化学教师选用。
关键词 高中化学;阅读材料;离子水
中图分类号:G633.8 文献标识码:B 文章编号:1671-489X(2009)27-0024-02
Ionized Water: One Reading Material for Senior Chemistry under New Curriculum Standard//Ji Yanping, Wang Mingzhao
Abstract One reading material based on the New Curriculum Standard of senior chemistry was presented in this paper for senior students, to introduce the knowledge of ionized water.
Key words senior chemistry; reading material; ionized water
Authors’ address College of Chemistry, Beijing Normal University, Beijing, 100875, China
水对于人类的生存和发展具有重要意义。根据世界卫生组织最近公布的资料,80%的人类疾病与水有关,33%死亡人群的死因与水有关[1]。为了人类的健康、生存和发展,人们一直在寻求健康、安全的饮用水。此外,随着人类生活水平的提高,高效、快速、简便及对人体无毒副作用的灭菌消毒技术成为生命科学领域的热点研究方向之一。离子水(又称离子功能水)是酸性离子水和碱性离子水的总称,具有独特的功效,有望满足这些要求。
1 离子水的分类及制备
1.1 分类及功能根据酸碱度,离子水可分为不同的种类,具有不同的功效,如表1所示[2]。
1.2 制备[3,4]普遍使用两槽隔膜式电解槽来制备离子水,在阴极室生成酸性离子水,阳极室生成碱性离子水。该法对食盐的浓度要求比较严格,不能连续生产,且阳极附近产生的酸性氧化电势水容易透过阳膜渗透到阴极附近,因此效率低。三槽隔膜式电解槽可以克服以上缺点,是一种高效、可连续生产的制备装置,其结构如图1所示。三槽隔膜式电解槽由阴离子交换膜和阳离子交换膜将整个容器隔成三槽,分别为中间区、阳极区和阴极区。
中间区一般充有0.01%NaCl或0.002 mol·L-1NaOH溶液,两边为自来水。当两极加上直流电压时,阳极以析氯反应和析氧反应为主,阴极以析氢反应为主,溶液中以氯的水解和次氯酸的解离为主。
在电场作用下,氯离子通过阴离子交换膜进入阳极区,发生如下反应:
2Cl-→Cl2↑ 2e
2H22O→O2↑ 4H 4e
Cl- H2O→HClO H 2e
Cl- 2H2O→HClO2 3H 4e
Cl- 3H2O→ClO3- 6H 6e
HClO H2O→HClO2 2H 2e
HClO2 H2O→ClO3- 3H 2e
2H2O→H2O2 2H 2e
O2 H2O→O3↑ 2H 2e
在阳极区,水生成氧气和氢离子,氯离子生成氯气。氯气和水反应生成次氯酸和盐酸,使溶液呈酸性,有效氯浓度达到(20～60)×10-6 mg·L-1,溶解氧(DO:10 mg·L-1～50 mg·L-1)和氧化还原电势(ORP≥1 100 mV)升高,从而具有杀菌作用。这种水叫强酸性离子功能水。
与此同时,Na 离子通过阳离子交换膜到阴极区,发生如下反应:
2H2O 2e→2OH- H2↑
ClO- H2O 2e→Cl- 2OH-
HClO2 H2O→ClO3- 3H 2e
2H2O→H2O2 2H 2e
O2 H2O→O3↑ 2H 2e
在阴极区,水生成氢气和氢氧根离子,氢气和溶解氧发生反应,导致DO值和ORP值显著下降(DO约为8 mg·L-1,ORP为-865 mV±25 mV),溶液呈碱性(pH值为11.5±0.2)。这种水叫碱性离子功能水。
中间区溶液中的反应如下:
Cl2 H2O→HClO Cl- H
HClO→ClO- H
2HClO ClO-→ClO3- 2Cl- 2H
2ClO-→O2↑ 2Cl-
2 强酸性离子水
强酸性离子水的pH值在2～2.7左右,OPR值约为1 100 mV,它能强烈抑制细菌繁殖,迅速灭活细菌、病毒等病源微生物,是一种具有极广泛应用前景的杀菌消毒剂。它对人体无毒性作用,无刺激性、无副作用、无蓄积毒性,广泛应用在医疗器械消毒、日常生活用品消毒、食品加工等领域。它的pH、ORP等特性受光照、搅拌、封装条件的影响[5],需密闭避光保存。在密闭避光条件下能贮藏1年以上[6]。
通常认为强酸性离子水的杀菌功能是通过以下3方面作用实现的。
1)pH的作用。一般微生物的生存pH值为3～11。高浓度的H 引起菌体表面的蛋白质和核酸水解,改变细胞膜的电荷,进而影响菌体对营养物质的吸收[7]。细胞生长繁殖还离不开酶的作用,绝大多数酶发挥作用的pH值范围很窄,较低的pH值大大抑制细胞的酶活力,引起代谢紊乱,最终导致菌体死亡[8]。
2)氧化还原电势的作用。细胞内外两侧具有一定的电势差,称为膜电势。一般细菌的细胞膜能耐受的电势为960 mV,由于细胞膜附近脂肪会抵消一部分电势,通常只要有1 000 mV的氧化还原电势就会马上导致微生物细胞膜破裂,引起微生物死亡[8]。酸性离子水的高氧化还原电势环境影响微生物细胞膜电势,从而影响营养物质和废弃物的输送功能。
3)有效氯的作用。有效氯指强酸性离子水中HClO、C12和C1O-等含氯化合物的总量。酸性离子水中含氯化合物主要为前2种物质。次氯酸分子量小,不带电荷,容易进入细胞,可以氧化细胞膜和细胞组织的蛋白质[9],它分解形成的新生态氧也会将菌体蛋白质氧化,2种作用使细胞及细菌死亡。氯分子则是通过对菌体蛋白质的氯化而起作用。
3 弱碱性离子水[10]
弱碱性离子水的pH值在7.5～9.5左右。健康人体液pH值为7.4左右,血液pH值为7.35左右,肠液也为弱碱性。常饮弱碱性离子水能中和体内有害的酸性代谢产物,纠正肌体偏酸状态,保持健康体魄。
自由基(也称游离基)是含有一个单电子的原子或原子团。由于存在单电子,自由基具有从其他物质获取一个电子,形成稳定物质的强烈倾向,会对机体中细胞或者运动能力产生损害。弱碱性离子水具有低还原电势(OPR值为-250 mV～-350 mV),它可以提供大量电子给自由基使其变为稳定状态,消除体内过多自由基。
弱碱性离子水中,6～7个水分子缔合成环型小分子团(如图2所示),与人体细胞结构水相似。这种水极易进出细胞,渗透力强,溶解度高,与细胞亲和性好,可加速人体新陈代谢,使营养物质很快被吸收并迅速循环[11]。
作为饮用水,弱碱性离子水的饮用安全性引人关注,尤其应特别关注长期饮用弱碱性离子水是否会使人体发生脱水与电解质丢失[12]。王豫廉等人指出,长期饮用弱碱性离子水的人电解质无明显异常改变,肝、肾功能无不良变化[13]。
参考文献
[1]李晓辉,等.21 世纪生命水——活性离子水[J].科技情报开发与经济,2001,11(6):104-106
[2]李玉萍,等.碱性电解功能水对动物细胞的调控及其在医疗中的应用[J].食品科学,2006,27(11):532-535
[3]洪妍.三槽型强酸性水制备机理及设备的研究[D].洛阳:河南科技大学农业机械化工程专业,2005
[4]庄琳懿.酸性氧化电位水的产生条件与作用的初步研究[D].上海:同济大学分析化学专业,2007
[5]Len SV,et al.Effects of storage conditions and pH on chlorine loss in electrolyzed oxidizing water[J].J.Agric. Food Chem,2002,50(1):209-211
[6]李永玉.离子功能水的研究[D].北京:中国农业大学食品科学专业,2001
[7]胡洁彬,等.食品微生物[M].北京:北京农业大学出版社,1995
[8]关东胜.电生功能水的生成机制和电渗透脱水的研究[D].北京:中国农业大学食品科学专业,1997
[9]刘海杰.电生功能水的研究[D].北京:中国农业大学食品科学专业,1998
[10]沈泳元,等.谈谈离子水的特征和功效[J].食品工业科技,2002(1):74-76
[11]张建平,等.水分子团簇结构的改变及其生物效应[J].化学通报,2004(4):278-282
[12]袁艺红,等.碱性离子水对机体的影响[J].景德镇高专学报,2008,23(2):44-45
[13]王豫廉,等.长期饮用碱性离子水副反应观察[J].上海预防医学杂志,2001,13(12)565-566
关键词 高中化学;阅读材料;离子水
中图分类号:G633.8 文献标识码:B 文章编号:1671-489X(2009)27-0024-02
Ionized Water: One Reading Material for Senior Chemistry under New Curriculum Standard//Ji Yanping, Wang Mingzhao
Abstract One reading material based on the New Curriculum Standard of senior chemistry was presented in this paper for senior students, to introduce the knowledge of ionized water.
Key words senior chemistry; reading material; ionized water
Authors’ address College of Chemistry, Beijing Normal University, Beijing, 100875, China
水对于人类的生存和发展具有重要意义。根据世界卫生组织最近公布的资料,80%的人类疾病与水有关,33%死亡人群的死因与水有关[1]。为了人类的健康、生存和发展,人们一直在寻求健康、安全的饮用水。此外,随着人类生活水平的提高,高效、快速、简便及对人体无毒副作用的灭菌消毒技术成为生命科学领域的热点研究方向之一。离子水(又称离子功能水)是酸性离子水和碱性离子水的总称,具有独特的功效,有望满足这些要求。
1 离子水的分类及制备
1.1 分类及功能根据酸碱度,离子水可分为不同的种类,具有不同的功效,如表1所示[2]。
1.2 制备[3,4]普遍使用两槽隔膜式电解槽来制备离子水,在阴极室生成酸性离子水,阳极室生成碱性离子水。该法对食盐的浓度要求比较严格,不能连续生产,且阳极附近产生的酸性氧化电势水容易透过阳膜渗透到阴极附近,因此效率低。三槽隔膜式电解槽可以克服以上缺点,是一种高效、可连续生产的制备装置,其结构如图1所示。三槽隔膜式电解槽由阴离子交换膜和阳离子交换膜将整个容器隔成三槽,分别为中间区、阳极区和阴极区。
中间区一般充有0.01%NaCl或0.002 mol·L-1NaOH溶液,两边为自来水。当两极加上直流电压时,阳极以析氯反应和析氧反应为主,阴极以析氢反应为主,溶液中以氯的水解和次氯酸的解离为主。
在电场作用下,氯离子通过阴离子交换膜进入阳极区,发生如下反应:
2Cl-→Cl2↑ 2e
2H22O→O2↑ 4H 4e
Cl- H2O→HClO H 2e
Cl- 2H2O→HClO2 3H 4e
Cl- 3H2O→ClO3- 6H 6e
HClO H2O→HClO2 2H 2e
HClO2 H2O→ClO3- 3H 2e
2H2O→H2O2 2H 2e
O2 H2O→O3↑ 2H 2e
在阳极区,水生成氧气和氢离子,氯离子生成氯气。氯气和水反应生成次氯酸和盐酸,使溶液呈酸性,有效氯浓度达到(20～60)×10-6 mg·L-1,溶解氧(DO:10 mg·L-1～50 mg·L-1)和氧化还原电势(ORP≥1 100 mV)升高,从而具有杀菌作用。这种水叫强酸性离子功能水。
与此同时,Na 离子通过阳离子交换膜到阴极区,发生如下反应:
2H2O 2e→2OH- H2↑
ClO- H2O 2e→Cl- 2OH-
HClO2 H2O→ClO3- 3H 2e
2H2O→H2O2 2H 2e
O2 H2O→O3↑ 2H 2e
在阴极区,水生成氢气和氢氧根离子,氢气和溶解氧发生反应,导致DO值和ORP值显著下降(DO约为8 mg·L-1,ORP为-865 mV±25 mV),溶液呈碱性(pH值为11.5±0.2)。这种水叫碱性离子功能水。
中间区溶液中的反应如下:
Cl2 H2O→HClO Cl- H
HClO→ClO- H
2HClO ClO-→ClO3- 2Cl- 2H
2ClO-→O2↑ 2Cl-
2 强酸性离子水
强酸性离子水的pH值在2～2.7左右,OPR值约为1 100 mV,它能强烈抑制细菌繁殖,迅速灭活细菌、病毒等病源微生物,是一种具有极广泛应用前景的杀菌消毒剂。它对人体无毒性作用,无刺激性、无副作用、无蓄积毒性,广泛应用在医疗器械消毒、日常生活用品消毒、食品加工等领域。它的pH、ORP等特性受光照、搅拌、封装条件的影响[5],需密闭避光保存。在密闭避光条件下能贮藏1年以上[6]。
通常认为强酸性离子水的杀菌功能是通过以下3方面作用实现的。
1)pH的作用。一般微生物的生存pH值为3～11。高浓度的H 引起菌体表面的蛋白质和核酸水解,改变细胞膜的电荷,进而影响菌体对营养物质的吸收[7]。细胞生长繁殖还离不开酶的作用,绝大多数酶发挥作用的pH值范围很窄,较低的pH值大大抑制细胞的酶活力,引起代谢紊乱,最终导致菌体死亡[8]。
2)氧化还原电势的作用。细胞内外两侧具有一定的电势差,称为膜电势。一般细菌的细胞膜能耐受的电势为960 mV,由于细胞膜附近脂肪会抵消一部分电势,通常只要有1 000 mV的氧化还原电势就会马上导致微生物细胞膜破裂,引起微生物死亡[8]。酸性离子水的高氧化还原电势环境影响微生物细胞膜电势,从而影响营养物质和废弃物的输送功能。
3)有效氯的作用。有效氯指强酸性离子水中HClO、C12和C1O-等含氯化合物的总量。酸性离子水中含氯化合物主要为前2种物质。次氯酸分子量小,不带电荷,容易进入细胞,可以氧化细胞膜和细胞组织的蛋白质[9],它分解形成的新生态氧也会将菌体蛋白质氧化,2种作用使细胞及细菌死亡。氯分子则是通过对菌体蛋白质的氯化而起作用。
3 弱碱性离子水[10]
弱碱性离子水的pH值在7.5～9.5左右。健康人体液pH值为7.4左右,血液pH值为7.35左右,肠液也为弱碱性。常饮弱碱性离子水能中和体内有害的酸性代谢产物,纠正肌体偏酸状态,保持健康体魄。
自由基(也称游离基)是含有一个单电子的原子或原子团。由于存在单电子,自由基具有从其他物质获取一个电子,形成稳定物质的强烈倾向,会对机体中细胞或者运动能力产生损害。弱碱性离子水具有低还原电势(OPR值为-250 mV～-350 mV),它可以提供大量电子给自由基使其变为稳定状态,消除体内过多自由基。
弱碱性离子水中,6～7个水分子缔合成环型小分子团(如图2所示),与人体细胞结构水相似。这种水极易进出细胞,渗透力强,溶解度高,与细胞亲和性好,可加速人体新陈代谢,使营养物质很快被吸收并迅速循环[11]。
作为饮用水,弱碱性离子水的饮用安全性引人关注,尤其应特别关注长期饮用弱碱性离子水是否会使人体发生脱水与电解质丢失[12]。王豫廉等人指出,长期饮用弱碱性离子水的人电解质无明显异常改变,肝、肾功能无不良变化[13]。
参考文献
[1]李晓辉,等.21 世纪生命水——活性离子水[J].科技情报开发与经济,2001,11(6):104-106
[2]李玉萍,等.碱性电解功能水对动物细胞的调控及其在医疗中的应用[J].食品科学,2006,27(11):532-535
[3]洪妍.三槽型强酸性水制备机理及设备的研究[D].洛阳:河南科技大学农业机械化工程专业,2005
[4]庄琳懿.酸性氧化电位水的产生条件与作用的初步研究[D].上海:同济大学分析化学专业,2007
[5]Len SV,et al.Effects of storage conditions and pH on chlorine loss in electrolyzed oxidizing water[J].J.Agric. Food Chem,2002,50(1):209-211
[6]李永玉.离子功能水的研究[D].北京:中国农业大学食品科学专业,2001
[7]胡洁彬,等.食品微生物[M].北京:北京农业大学出版社,1995
[8]关东胜.电生功能水的生成机制和电渗透脱水的研究[D].北京:中国农业大学食品科学专业,1997
[9]刘海杰.电生功能水的研究[D].北京:中国农业大学食品科学专业,1998
[10]沈泳元,等.谈谈离子水的特征和功效[J].食品工业科技,2002(1):74-76
[11]张建平,等.水分子团簇结构的改变及其生物效应[J].化学通报,2004(4):278-282
[12]袁艺红,等.碱性离子水对机体的影响[J].景德镇高专学报,2008,23(2):44-45
[13]王豫廉,等.长期饮用碱性离子水副反应观察[J].上海预防医学杂志,2001,13(12)565-566