高中化學(xué)：教學(xué)設(shè)計1：硬水軟化

高中選修2化學(xué)與技術(shù)

L2硬水軟化教學(xué)設(shè)計

一、軟水和硬水：

水是日常生活中不可缺少的物質(zhì)。天然水在長期與空氣、巖石和土壤等長期

接觸，溶解了許多無機鹽、有機物等雜質(zhì)，因而天然水一般均含有雜質(zhì)。（水中

溶解的無機鹽有鈣和鎂的酸式碳酸鹽、碳酸鹽、氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽等）。

（提問）一般天然水里含有哪些離子？

根據(jù)水中溶有的鈣鎂離子的量多少，可以將水進行分類：硬水：含有較多

Ca2\Mg2+離子的水。（如：天然水等）軟水：含有較少Ca2+、Mg?+離子的水。

（如：雨水，蒸儲水等）

二、硬水的性質(zhì)及分類：

1、硬水的通性：

★肥皂水制備：

將中性肥皂削成薄片，取10g溶于100mL80%的酒精中，靜置數(shù)日后，傾

出上層清液，再用80%的酒精稀釋10倍。

★天然水：

要先進行檢驗，如Ca2+、Mg2+離子含量較少，可適當(dāng)溶進少量的可溶性鈣、

鎂鹽，以使與蒸儲水有明顯區(qū)別。

水的硬度：以水中溶有Ca2\Mg2+離子的多少來衡量。

水的硬度是天然水固有的內(nèi)在特征，不存在沒有硬度的天然水。

★國際上對水的硬度的表示方法很不統(tǒng)一。我國目前以“德國度”表示。該方

法是：將水中的Ca2+、Mg2+離子都看作Ca2+離子，并將其質(zhì)量折算成CaO的質(zhì)

量，1L水中含有10mgCaO稱為1度。

0-4度很軟的水

4-8度軟水

8-16度中硬水

16-30度硬水

30以上最硬水

為保證人們身體健康，我國飲用水的硬度統(tǒng)一規(guī)定為不超過25度。

2.硬水的分類：

由引起硬水的原因不同，硬水可分為：

暫時硬水：由鈣和鎂的碳酸氫鹽所引起的硬水硬水

永久硬水：由鈣的鎂的硫酸鹽、氯化物等引起的硬水。

★天然水大多同時具有暫時硬度和永久硬度.因此，一般所說水的硬度是泛指

上述兩種硬度的總和。

3.暫時硬水的性質(zhì)：

由于暫時硬水是由碳酸氫鹽所引起的，因而當(dāng)暫時硬水受熱時會分解而得到

相應(yīng)的沉淀如：

Ca(HCO3)2==CaCO3；+CO2T+H2O

Mg(HCO3)2==MgCOaj+CO2T+H20

但由于氫氧化鎂的溶解性比碳酸鎂的溶解性要小得多，因而繼續(xù)加熱時，碳

酸鎂要轉(zhuǎn)化為氫氧化鎂：

MgCO3+2H2O==Mg(OH)2；+CO2T

因而長期加熱暫時硬水得到的水垢是碳酸鈣和氫氧化鎂的混合物。利用這個

性質(zhì)可區(qū)別暫時硬水與永久硬水。

三、硬水的軟化：

概念：降低水中鈣、鎂離子的含量，就叫做硬水的軟化。

軟化硬水常用有方法：

(-)加熱煮沸法：只能降低水的暫時硬度，不能降低永久硬度。

(二)藥劑軟化法：(石灰純堿法)

利用加入藥劑的方法來降低水中鈣、鎂離子的含量。

(三)離子交換法：

離子交換劑包括天然或或人造沸石、磺化煤和離子交換樹脂等物質(zhì)。

磺化煤使硬水軟化的原理：

當(dāng)硬水通過時，硬水里的鈣離子和鎂離子與磺化煤的鈉離子發(fā)生離子交換，

生成CaR2和MgR2,因而實現(xiàn)溶液中的鈣、鎂離子含量的降低，硬水軟化。其

方程式為：

2++

2NaR+Ca==CaR2+2Na

2++

2NaR+Mg==MgR2+2Na

硬水又分為暫時硬水和永久硬水。暫時硬水的硬度是由碳酸氫鈣與碳酸氫鎂

引起的，經(jīng)煮沸后可被去掉，這種硬度又叫碳酸鹽硬度。永久硬水的硬度是由硫

酸鈣和硫酸鎂等鹽類物質(zhì)引起的，經(jīng)煮沸后不能去除。以上兩種硬度合稱為總硬

度。

當(dāng)水滴在大氣中凝聚時，會溶解空氣中的二氧化碳形成碳酸。碳酸最終隨雨

水落到地面上，然后滲過土壤到達巖石層，溶解石灰（碳酸鈣和碳酸鎂）產(chǎn)生暫

時硬水。一些地區(qū)的溶洞和溶洞附近的硬水就是這樣形成的。

硬水有許多缺點：1.和肥皂反應(yīng)時產(chǎn)生不溶性的沉淀，降低洗滌效果。（利

用這點也可以區(qū)分硬水和軟水）

2.工業(yè)上，鈣鹽鎂鹽的沉淀會造成鍋垢，妨礙熱傳導(dǎo)，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致鍋爐

爆炸。由于硬水問題，工業(yè)上每年因設(shè)備、管線的維修和更換要耗資數(shù)千萬元。

3.硬水的飲用還會對人體健康與日常生活造成一定的影響。沒有經(jīng)常飲硬水

的人偶爾飲硬水，會造成腸胃功能紊亂，即所謂的“水土不服”；用硬水烹調(diào)魚肉、

蔬菜，會因不易煮熟而破壞或降低食物的營養(yǎng)價值；用硬水泡茶會改變茶的色香

味而降低其飲用價值；用硬水做豆腐不僅會使產(chǎn)量降低、而且影響豆腐的營養(yǎng)成

分。

那么硬水毫無是處了嗎？不對，否則怎么會有那么多的人買礦泉水喝呢。

原來鈣和鎂都是生命必需元素中的宏量金屬元素。科學(xué)家和醫(yī)學(xué)家們調(diào)查發(fā)現(xiàn)，

人的某些心血管疾病，如高血壓和動脈硬化性心臟病的死亡率，與飲水的硬度成

反比，水質(zhì)硬度低，死亡率反而高。其實，長期飲用過硬或者過軟的水都不利與

人體健康。我國規(guī)定：飲用水的硬度不得超過25度。

硬水經(jīng)過處理后可以轉(zhuǎn)化為軟水。下面介紹硬水軟化的三種主要方法：

1.煮沸法（只適用于暫時硬水）

煮沸暫時硬水時的反應(yīng)：

Ca（HCO3）2=CaCO31+H2O+CO2T

Mg（HCO3）2=MgCO3；+H2O+CO2T

由于CaC03不溶，MgCO3微溶，所以碳酸鎂在進一步加熱的條件下還可以

與水反應(yīng)生成更難溶的氫氧化鎂：

MgCO3+H2O=Mg(OH)21+C02T

由此可見水垢的主要成分為CaCO3和Mg(OH)2

2.石灰——純堿法(工業(yè)用)

在這種方法中，暫時硬度加入石灰就可以完全消除,HC03-都被轉(zhuǎn)化成CO32O

而鎂的永久硬度在石灰的作用下會轉(zhuǎn)化為等物質(zhì)的量的鈣的硬度，最后被去除。

反應(yīng)過程中，鎂都是以氫氧化鎂的形式沉淀，而鈣都是以碳酸鈣的形式沉淀。

Ca2+(aq)--石灰-蘇打法-->CaCCh(s)

Mg2+(叫)--石灰-蘇打法-->Mg(0H)2(s)

3.離子交換法

這種方法中用到的離子交換劑，有無機和有機兩種。無機離子交換劑，如沸

石等；有機離子交換劑包括：碳質(zhì)離子交換劑一磺化酶，陰陽離子交換樹脂等。

而且一般的離子交換劑在失效后還可以再生。

離子交換軟化水的原理

水的離子交換軟化過程是硬性礦物質(zhì)，主要是鈣和鎂被鈉交換或取代的過

程。這些礦物質(zhì)性質(zhì)上是離子的(常稱作離子化雜質(zhì))，這意味著它們帶有電荷,

由于同種電荷相斥，異種電荷相吸，因此有可能產(chǎn)生離子交換。

水中的鈣、鎂離子實際上是溶解的礦石。當(dāng)水流經(jīng)巖層和地壤時溶解了鈣和

鎂的沉積物，這種溶解的礦物最終進入到地下水層。當(dāng)水從地下水層被抽到表面

時，水中含有溶解的硬性礦物質(zhì)，這種水稱為硬水。

軟水器使溶解在水中的鈣鎂硬性礦物質(zhì)被軟化劑樹脂上的軟性礦物質(zhì)鈉交

換。所有這三種礦物都是叫做陽離子的帶正電荷離子。在適當(dāng)?shù)膲毫θ萜髦?，?/p>

硬性礦物的水通過離子交換樹脂可發(fā)生離子交換反應(yīng)。在現(xiàn)代的軟水器中裝有千

百萬顆微細的聚苯乙烯/二乙烯苯塑料球，所有小球都含有許多吸引正離子的負(fù)

電荷交換位置。當(dāng)樹脂處在再生狀態(tài)時，這些負(fù)電荷交換位置為帶正電荷的鈉離

子占據(jù)。當(dāng)鈣和鎂經(jīng)過樹脂貯槽時，它們與樹脂小球接觸，從交換位置上取代鈉

離子，從而被除去。

鑒于如下兩個理由，離子交換是可能的：

1.所有的陽離子并非都有相同強度的正電荷；

2.樹脂優(yōu)先結(jié)合帶較強電荷的陽離子，鈣和鎂離子的電荷比鈉最離子強，

取代鈉陽離子，然后向下通過樹脂床，流出軟水器，這樣軟水器就送出了“軟”

水。

離子交換樹脂是一類具有離子交換功能的高分子材料。在溶液中它能將本身

的離子與溶液中的同號離子進行交換。按交換基團性質(zhì)的不同，離子交換樹脂可

分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂兩類。

陽離子交換樹脂大都含有磺酸基(一SChH)、竣基(一COOH)或苯酚基

(―C6H40H)等酸性基團，其中的氫離子能與溶液中的金屬離子或其他陽離子

進行交換。例如苯乙烯和二乙烯苯的高聚物經(jīng)磺化處理得到強酸性陽離子交換樹

脂，其結(jié)構(gòu)式可簡單表示為R—S03H,式中R代表樹脂母體，其交換原理為

2++

2R—SO3H+Ca=(R—S03)2Ca+2H

這也是硬水軟化的原理。

陰離子交換樹脂含有季胺基［-N(CH3)30H］、胺基(一NH2)或亞胺基

(_NR/H)等堿性基團。它們在水中能生成0H-離子，可與各種陰離子起交換

作用，其交換原理為

R—N(CH3)3OH+C1=R—N(CH3)3CI+OH-

由于離子交換作用是可逆的，因此用過的離子交換樹脂一般用適當(dāng)濃度的無

機酸或堿進行洗滌，可恢復(fù)到原狀態(tài)而重復(fù)使用，這一過程稱為再生。陽離子交

換樹脂可用稀鹽酸、稀硫酸等溶液淋洗；陰離子交換樹脂可用氫氧化鈉等溶液處

理，進行再生。

離子交換樹脂的用途很廣，主要用于分離和提純。例如用于硬水軟化和制取

去離子水、回收工業(yè)廢水中的金屬、分離稀有金屬和貴金屬、分離和提純抗生素

等。

10硬水及其軟化

一、軟水和硬水

水是日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可缺少的物質(zhì)。水質(zhì)的好壞對生產(chǎn)和生活影響

很大。天然水跟空氣、巖石和土壤等長期接觸，溶解了許多雜質(zhì)，如無機鹽類、

某些可溶性有機物以及氣體等。水里溶解的無機鹽有鈣和鎂的酸式碳酸鹽、碳酸

鹽、氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽，等等。也就是說，天然水里一般含有Ca2+、Mg2+

等陽離子和

這些離子的種類和數(shù)量有所不同。例如，溶有二氧化碳的水，遇到主要成分

是碳酸鈣的巖石時，會使碳酸鈣逐漸變成可溶性的碳酸氫鈣:

CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

有的天然水里含Ca2+和Mg2+比較多，在這種水里加入肥皂水，就會發(fā)生沉

淀。

［實驗2-5］用兩個試管分別取蒸儲水、天然水5?6mL,各注入少量肥皂水,

振蕩。觀察發(fā)生的現(xiàn)象。

通過實驗，我們可以看到盛有蒸儲水的試管里泡沫很多，沒有沉淀產(chǎn)生。在

盛有天然水的試管里泡沫較少，并出現(xiàn)絮狀沉淀。這是因為天然水里含有Ca2+

或Mg2+,肥皂跟Ca2+或Mg2+起反應(yīng)以后，生成了不溶于水的物質(zhì)①。

通常把溶有較多量的Ca2+和Mg2+的水，叫做硬水；只溶有少量或不含Ca2+

和Mg?+的水，叫做軟水。

如果水的硬度②是由碳酸氫鈣或碳酸氫鎂所引起的，這種硬度叫做暫時硬

度。具有暫時硬度的水經(jīng)過煮沸以后，水里所含的碳酸氫鈣就分解而生成不溶性

的碳酸鈣：

Ca(HCO3)2=CaCO31+CO2t+H2O

水里所含的碳酸氫鎂先形成難溶于水的碳酸鎂沉淀。

Mg(HCO3)2=MgCO3；+CO2t+H2O

碳酸鎂雖然難溶于水，但它仍有少量能溶解在水里(在18℃時，它的溶解

度為0.011g,相當(dāng)于HOmg/L)。因此，當(dāng)繼續(xù)加熱煮沸時，碳酸鎂就跟水發(fā)生

反應(yīng)，生成了更難溶的氫氧化鎂(在18℃時，它的溶解度為0.00084g,相當(dāng)于

8.4mg/L)。這樣,水里溶解的Ca2+和Mg?+就轉(zhuǎn)變成為碳酸鈣和氫氧化鎂的沉淀,

從水里析出，水的硬度就可以降低，從而使硬度高的水得到軟化。

如果水的硬度是由鈣和鎂的硫酸鹽或氯化物等所引起的，這種硬度叫做永久

硬度。永久硬度不能用加熱的方法軟化。天然水大多同時具有暫時硬度和永久硬

度，因此，一般所說水的硬度是泛指上述兩種硬度的總和。

二、硬水的軟化

水的硬度高對生活和生產(chǎn)都有危害。洗滌用水如果硬度太高，不僅浪費肥皂,

而且衣物也不易洗干凈。長期飲用硬度很高或硬度過低的水，都不利于人體的健

康。鍋爐用水硬度太高，特別是暫時硬度太高，十分有害。因為經(jīng)過長期燒煮后，

水里的鈣鹽和鎂鹽會在鍋爐內(nèi)結(jié)成鍋垢，使鍋爐內(nèi)的金屬管道的導(dǎo)熱能力大大降

低，這不但浪費燃料，而且會使管道局部過熱，當(dāng)超過金屬允許的溫度時，鍋爐

管道將變形或損毀，嚴(yán)重時會引起鍋爐爆炸事故。很多工業(yè)部門，如紡織、印染、

造紙、化工等，都要求用軟水。因此，對天然水進行處理，以降低或消除它的硬

度是很重要的。

硬水軟化的方法通常有藥劑軟化法和離子交換法等。這里只簡單介紹離子交

換法。離子交換法是用離子交換劑①軟化水的一種方法。

在工業(yè)上常用磺化煤（NaR）做離子交換劑?；腔菏呛谏w粒狀物質(zhì)，它

不溶于酸和堿。這種物質(zhì)的陽離子會跟溶液里其他物質(zhì)的陽離子發(fā)生離子交換作

用。

如圖2-6所示，在離子交換柱里裝有磺化煤。把硬水從離子交換柱的上口注

入，使硬水慢慢地流經(jīng)磺化煤。當(dāng)硬水通過磺化煤時，硬水里的Ca2+和Mg2+

跟磺化煤的Na+起離子交換作用，因而使硬水得到軟化，反應(yīng)可以表示如下：

2++

2NaR+Ca=CaR2+2Na

2++

2NaR+Mg=MgR2+2Na

［實驗2-6］把實驗2-5所用的天然水經(jīng)離子交換劑軟化以后，用試管取5?

6mL,注入少量肥皂水，振蕩。

通過實驗，我們可以看到，硬水軟化以后，加入肥皂水振蕩時，泡沫很多，

就沒有沉淀產(chǎn)生了。

磺化煤的Na+全部為Ca2+和Mg2+所代替后，磺化煤就失去了軟化硬水的能

力。但是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%?10%氯化鈉溶液浸泡，CaR2和MgR2跟Na+就又會

發(fā)生交換作用，重新生成NaR,從而又恢復(fù)了磺化煤軟化硬水的能力，這個過程

叫做再生?？梢员硎救缦拢?/p>

+2+

CaR2+2Na=2NaR+Ca

這種軟化硬水的方法具有質(zhì)量高，設(shè)備簡單，占地面積小，操作方便等優(yōu)點,

因此，目前使用比較普遍。

①肥皂的主要成分是硬脂酸鈉［Na（Ci8H35。切，肥皂跟Ca2+（或Mg2+）起

反應(yīng)生成的Ca（Cl8H35。2）2［或Mg（Cl8H35。2）2］是不溶于水的物質(zhì)。

②水的硬度常用一種規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)來衡量。通常把1L水里含有l(wèi)OmgCaO（或

相當(dāng)于lOmgCaO）稱為1度（以1。表示）。水的硬度在8。以下的稱為軟水；在

8。以上的稱為硬水。硬度大于30。的是最硬水。

①離子交換劑包括天然或人造沸石、磺化煤和離子交換樹脂等物質(zhì)。

煮不爛豆子的水

這是一個關(guān)于硬水和軟水來歷的故事。

美國南北戰(zhàn)爭期間，有一隊北方士兵來到一個泉水淙淙的村莊。因為時間已

近中午，他們便就地架起行軍鍋，挑來了附近的山泉水，燒起飯菜來。就餐時，

當(dāng)他們舀起煮熟的豆子放在嘴里咀嚼時，士兵們發(fā)現(xiàn)，這些豆子比平時硬得多，

他們責(zé)怪炊事員沒把豆子煮透。后來，炊事員把豆子又煮了好久，但是吃起來還

是一樣的硬。

奇怪，豆子還是原來的豆子，鍋還是原來的鍋，難道問題出在水上面？

的確如此。原來就是水在作怪。

從此，人們就把這種特殊的水稱為“硬水”，把其他的水則稱為“軟水”。

1.硬水：含有鈣鹽和鎂鹽的天然水。通常，地下水如井水、泉水含鹽量較大,

地面水如河水、湖水含鹽量較小。在硬水中，鈣、鎂可以以碳酸鹽、碳酸氫鹽、

硫酸鹽、氯化物和硝酸鹽等形式存在。當(dāng)硬水中鈣和鎂主要以碳酸氫鹽，如

Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2形式存在時，稱為暫時硬水，當(dāng)這種硬水加熱煮沸時，

碳酸氫鹽會分解成碳酸鹽而沉淀除去如果硬水中鈣和鎂主要以硫酸鹽、硝酸鹽和

氯化物等形式存在，則稱為永久硬水，它們不能用煮沸的方法除去。

硬水中的鈣鹽和鎂鹽能與肥皂（硬脂酸鈉）作用，生成不溶性的硬脂酸鹽，降

低肥皂的去污能力。如果鍋爐內(nèi)使用硬水，當(dāng)加熱時鈣鹽和鎂鹽會在鍋爐內(nèi)壁上

結(jié)成水垢。降低鍋爐的熱導(dǎo)率，增加能耗，甚至縮短鍋爐的使用壽命，有時還會

堵塞管道。因此，鍋爐用水必須經(jīng)過軟化處理（見）。

2.軟水：只含少量可溶性鈣鹽和鎂鹽的天然水，或是經(jīng)過軟化處理的硬水。

天然軟水一般指江水、河水、湖（淡水湖）水。經(jīng)軟化處理的硬水指鈣鹽和鎂鹽含

量降為1.0?50毫克/升后得到的軟化水。雖然煮沸就可以將暫