《硬水软化》教案3

《硬水软化》教案

知识回顾

1．水垢的主要成分是什么？怎样除去？

【提示】CaCO 3、Mg(OH)2，加醋酸可以除去

反应为：CaCO 3＋2CH 3COOH=H 2O ＋CO 2↑＋Ca(CH 3COO)2

Mg(OH)2＋2CH 3COOH=2H 2O ＋Mg(CH 3COO)2

2．Mg(HCO 3)2和Ca(HCO 3)2受热易分解，书写反应方程式。

【提示】Mg(HCO 3)2=====△MgCO 3＋H 2O ＋CO 2↑ Ca(HCO 3)2=====△

CaCO 3＋H 2O ＋CO 2↑ 3．你知道“水滴穿石”包含的化学科学道理吗？

【提示】通常情况下水中溶有一定量的CO 2使水呈酸性pH ＝5.6

CaCO 3＋CO 2＋H 2O=Ca 2＋＋2HCO －3

学习目标

1．知道硬水和软水，了解水的硬度、暂时硬度和永久硬度，知道硬度的表示方法和简单的测定方法。

2．了解加热法、药剂软化法、离子交换法软化硬水的原理。

3．了解硬水对生产生活用水的影响。能用相关化学知识解释日常生活中一些和水的硬度有关的现象。

教学过程

一、暂时硬度和永久硬度

1．天然水中钙、镁离子的作用

天然水中含有钙、镁等离子，含有少量Ca 2＋、Mg 2＋的水对人体是有利的。Ca 2

＋可以补充牙齿和骨骼所需要的钙，Ca 2＋、Mg 2＋能减缓铁制输水管道上铅的溶出。但有些地区的天然水中含有较多的钙、镁离子，这种水叫做硬水。这种水不宜洗涤衣物。工业锅炉若使用硬水，容易沉积水垢。锅炉壁上形成水垢后，不但浪费燃料，甚至可能引起锅炉爆炸。 2．硬水和软水

硬水：含有较多Ca 2＋、Mg 2＋的水。

软水：含有少量Ca 2＋、Mg 2＋或不含Ca 2＋、Mg 2＋的水。 3．暂时硬度和永久硬度 暂时硬度：水的硬度是由Ca(HCO 3)2或Mg(HCO 3)2引起的。

永久硬度：水的硬度是由钙、镁的硫酸盐或氯化物等引起的。天然水大多同时具有暂时硬度和永久硬度。

二、硬水软化

硬水软化的方法通常有加热法、药剂法和离子交换法等。

1．具有暂时硬度的水可用加热法进行软化。

2．具有永久硬度的水可采用药剂法和离子交换法进行软化。

(1)常用化学药剂有纯碱和石灰等，其原理可表示为：Ca

2＋＋CO 2-3=CaCO 3↓、CaO ＋H 2O =Ca(OH)2、Mg 2＋＋2OH －=Mg(OH)2↓

(2)离子交换法软化硬水的原理。

硬水先后通过分别装有阳离子交换树脂和阴离子交换树脂的离子交换柱。硬水中的Ca

2＋、Mg 2＋ 等阳离子和HCO －3、Cl －、SO 2－

4等阴离子先后与交换树脂中的H ＋、OH － 起离子交

换作用，从而使硬水软化。有关反应如下：2RSO 3H ＋Ca 2＋=(RSO 3)2Ca ＋2H ＋、RN(CH 3)3OH ＋Cl －=RN(CH 3)3Cl ＋OH －、H ＋＋OH －=H 2O 。

(3)离子交换法的特点和应用。

①特点：离子交换树脂使用一段时间后就失去了软化硬水的能力。可用强酸或者强碱的稀溶液处理使之再生，即发生上述离子交换反应的逆反应。这种软化硬水的方法具有比药剂软化法质量高、设备简单、占用面积小、操作方便等优点。

②应用：离子交换法是目前常用的硬水软化方法，使用比较普遍。例如软化机软化水和实验室去离子水的制备。

【思考题1】水为什么存在硬度？

【提示】天然水与空气、岩石和土壤长期接触，溶解了许多杂质如某些无机盐类、可溶

性有机物或气体等，通常含有Ca 2＋、Mg 2＋、HCO －3、SO 2－4等。不同地区的天然水这些离子的

含量不同，一般地下水中含Ca 2＋、Mg 2＋较多，而河水、湖水则含量较少，把含Ca 2＋、Mg 2＋

较多的水叫硬水，反之叫软水。

【思考题2】一条柔软的毛巾用久了为什么会变硬？ 【提示】水中含有较多的Mg 2＋和Ca 2＋，洗脸时，用的肥皂中的物质溶于水后与Ca 2＋、Mg 2＋生成难溶于水的物质而积存在纤维中间，使毛巾变得干硬，可用醋浸泡除硬。

【思考题3】用离子交换树脂软化硬水，是先将水通过阳离子交换树脂还是先通过阴离子交换树脂？为什么？

【提示】阳离子交换树脂，目的是让硬水中的Ca 2＋和Mg 2＋先与阳离子交换树脂中的H ＋

交换，然后硬水中的HCO －3、Cl －、SO 2

－4等阴离子再与阴离子交换树脂中的OH －交换，若先通过阴离子交换树脂则阳离子Ca 2＋和Mg 2＋与OH －结合生成沉淀影响离子交换的效率。

要点掌握

一、硬水的分类与危害

如果水的硬度是由Ca(HCO 3)2或Mg(HCO 3)2所引起的，这种硬度叫做暂时硬度；如果水的硬度是由钙和镁的硫酸盐或氯化物等引起的，这种硬度叫做永久硬度。天然水大多同时具

有暂时硬度和永久硬度。

水的硬度过高对生活和生产都有害处。例如，洗涤用水如果硬度太高，水中的Ca 2＋、M

g 2＋与肥皂反应生成不溶于水的物质，不仅浪费肥皂，也洗不净衣物。在工业上对水的硬度也有要求，如锅炉用水如果硬度太高，长期烧煮后，水里的钙盐和镁盐会在锅炉内结成锅垢，使锅炉内金属管道的导热能力大大降低，不但浪费燃料，而且会导致管道局部过热，使锅炉管道变形或损坏，严重时会引起爆炸事故。所以硬水的软化非常重要。

【例1】下列说法正确的是( )。

A ．软水中一定不含Ca 2＋、Mg 2＋

B ．硬水经煮沸后就一定变为软水了

C ．水垢的主要成分是碳酸钙和氢氧化镁

D ．经过磺化媒处理过的水是不含离子的超净水

【解析】硬水与软水的区分是Ca 2＋、Mg 2＋含量的多与少，不是有与没有，故A 项不对；

煮沸的过程是Ca(HCO 3)2、Mg(HCO 3)2的分解以及MgCO 3转变为Mg(OH)2的过程，故C 项对；

煮沸时能使含暂时硬度较高的硬水中的Ca 2＋、Mg 2＋浓度降低，但不一定能降低到软水中Ca

2＋、Mg 2＋的含量标准，更何况有的硬水中的硬度更多是由于永久硬度造成的，故B 项不对；磺化媒只能交换阳离子，水中还含有多种阴离子和交换出的大量Na ＋，故D 项不对。

【答案】C

【变式】下列叙述中正确的是( )。

A ．不含Ca 2＋、Mg 2＋的水属于软水

B ．只要含有Ca 2＋、Mg 2＋的水就是硬水

C ．只有Ca 2＋或Mg 2＋一种离子的水是暂时硬水

D ．永久硬水用加热的方法能使其软化

【解析】此题考查的是硬水的概念，含Ca 2＋、Mg 2＋较多的水为硬水。由CaSO 4、CaCl 2、

MgSO 4、MgCl 2等引起的硬水叫永久硬水，加热不能除掉永久硬度。

【答案】A

二、硬水的软化方法

常用的硬水软化方法有加热法、药剂法和离子交换法。

①加热法

a ．原理：

Ca(HCO 3)2=====△

CaCO 3↓＋CO 2↑＋H 2O

Mg(HCO 3)2=====△

MgCO 3↓＋CO 2↑＋H 2O

MgCO 3＋H 2O=====△

Mg(OH)2＋CO 2↑

b．适用范围：具有暂时硬度的水可以用加热的方法进行软化。

②药剂法

a．定义：向水中加入适当的化学试剂，促使溶解在水中的Ca2＋、Mg2＋以沉淀的形式从水中分离出来达到软化目的的方法。

b．药剂：常用的药剂有纯碱、生石灰、氢氧化钠等；工业锅炉用水还常用磷酸盐处理。

c．原理：

Ca(HCO3)2＋Ca(OH)2=2CaCO3↓＋2H2O

Mg(HCO3)2＋2Ca(OH)2=2CaCO3↓＋Mg(OH)2↓＋2H2O

Ca(HCO3)2＋2NaOH=CaCO3↓＋Na2CO3＋2H2O

Mg(HCO3)2＋4NaOH=Mg(OH)2↓＋2Na2CO3＋2H2O

SO2－4＋Ba2＋=BaSO4↓

适用范围：除去具有暂时硬度和永久硬度的水，最终得到的沉淀为CaCO3、Mg(OH)2等。

③离子交换法

a．原理

离子交换法是用离子交换剂软化水的方法。离子交换剂中的阳离子与水中的Ca2＋、Mg2＋发生离子交换作用，使水软化。其工艺流程如图所示。图中的离子交换剂是一种树脂，它是不溶于水但能与溶液中同电性离子进行交换的有机高分子电解质，常用NaR、HR等表示。发生的反应如下：2NaR＋Ca2＋=CaR2＋2Na＋2NaR＋Mg2＋=MgR2＋2Na＋

b．离子交换树脂简介

离子交换树脂是由不溶于水的交换剂本体和能在水中离解的活性交换基团两部分组成的。例如，常用的苯乙烯型离子交换树脂，其交换剂本体是苯乙烯和部分对苯二乙烯共聚而

成的不溶性高聚物。其分子中含有的活性基团——磺酸基或季铵基分别具有交换阳离子或阴离子的性能。离子交换树脂一般为颗粒状或球状固体，不溶解于水和其他普通溶剂。

离子交换树脂按分子内所含酸性基团和碱性基团，分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。

阳离子交换树脂(用HR表示，其中R代表离子交换树脂中的碳氢基团，多为烃基，H＋则是交换基团)和水中的金属离子M n＋(如Na＋、Ca2＋、Mg2＋等)交换，发生的反应可表示为：n HR＋M n＋??MR n＋n H＋

阴离子交换树脂含有的交换基因则是OH－，它会与水中的阴离子Y m－(如SO2－4、Cl－、H CO－3等)交换，发生的反应可表示为：

m ROH＋Y m－??R m Y＋m OH－

由以上两式可知，在离子交换反应中，水中的阳离子、阴离子被转移到了离子交换树脂上，而离子交换树脂上可交换的H＋或OH－转入水中。

在进行水处理时，如果需要将水中的阳离子、阴离子都除去，阳离子交换树脂和阴离子交换树脂可以交替使用。交换完成后的树脂用酸或碱处理可重新恢复交换能力，这个过程叫做树脂的再生。

离子交换技术在水处理领域中有着广泛的应用。通过离子交换可以除去水中的无机盐，但是不能除去水里的细菌和病毒，因此在生产纯净水的过程中，还需要借助其他的技术。

c．适用范围：除去暂时硬度和永久硬度。

【例2】下列方法中能同时除去硬水中暂时硬度和永久硬度的是()。

①蒸馏②煮沸③加纯碱④加石灰⑤离子交换

A．①②③B．①③⑤

C．②③⑤D．③④⑤

【解析】本题首先需要了解硬水中暂时硬度和永久硬度指的是Ca2＋、Mg2＋对应的什么产物，然后根据题意进行采用除杂的方法进行除去。能同时除去硬水中暂时硬度和永久硬度的方法可以采用使水形成蒸气，采用加入纯碱的方法使Ca2＋、Mg2＋生成沉淀而除去，另外还可以采用离子交换的方法进行除去。

【答案】B

【变式】磺化媒(代表式NaR)是一种钠离子型交换剂，它能使硬水中的Ca2＋、Mg2＋通过交换除去而软化。现在海水(已知海水中含Na＋、Ca2＋、Mg2＋等阳离子)的淡化方法是使海水按顺序通过两种离子交换树脂，其流程如图所示。

(1)现有氢型阳离子交换树脂和羟型阴离子交换树脂，则(填代表式)A柱是________，B 柱是________。

(2)按上述顺序装柱的理由是__________________。

【解析】要使海水淡化，必须借离子交换树脂的作用除去海水中Na＋、Ca2＋、Mg2＋及C l－等离子，逐一分析两种顺序能否顺利进行海水的淡化。

【答案】(1)HR ROH (2)若先将海水通过ROH，溶液中会生成较多的OH－，使Mg2＋

转化为Mg(OH)2沉淀，造成堵塞而使海水淡化失败。