高中化學(xué)：教學(xué)設(shè)計(jì)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(jì)

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(zhǎng)期與空氣、巖石和土壤等長(zhǎng)期

接觸，溶解了許多無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)物等雜質(zhì)，因而天然水一般均含有雜質(zhì)。（水中

溶解的無(wú)機(jī)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(wèn)）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(jìn)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(chǔ)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(jìn)行檢驗(yàn)，如Ca2+、Mg2+離子含量較少，可適當(dāng)溶進(jìn)少量的可溶性鈣、

鎂鹽，以使與蒸儲(chǔ)水有明顯區(qū)別。

水的硬度：以水中溶有Ca2\Mg2+離子的多少來(lái)衡量。

水的硬度是天然水固有的內(nèi)在特征，不存在沒(méi)有硬度的天然水。

★國(guó)際上對(duì)水的硬度的表示方法很不統(tǒng)一。我國(guó)目前以“德國(guó)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(guó)飲用水的硬度統(tǒng)一規(guī)定為不超過(guò)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(shí)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(shí)具有暫時(shí)硬度和永久硬度.因此，一般所說(shuō)水的硬度是泛指

上述兩種硬度的總和。

3.暫時(shí)硬水的性質(zhì)：

由于暫時(shí)硬水是由碳酸氫鹽所引起的，因而當(dāng)暫時(shí)硬水受熱時(shí)會(huì)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(shí)，碳

酸鎂要轉(zhuǎn)化為氫氧化鎂：

MgCO3+2H2O==Mg(OH)2；+CO2T

因而長(zhǎng)期加熱暫時(shí)硬水得到的水垢是碳酸鈣和氫氧化鎂的混合物。利用這個(gè)

性質(zhì)可區(qū)別暫時(shí)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(shí)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(lái)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(shù)脂等物質(zhì)。

磺化煤使硬水軟化的原理：

當(dāng)硬水通過(guò)時(shí)，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(shí)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(shí)硬水和永久硬水。暫時(shí)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(shí)，會(huì)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(guò)土壤到達(dá)巖石層，溶解石灰（碳酸鈣和碳酸鎂）產(chǎn)生暫

時(shí)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(diǎn)：1.和肥皂反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生不溶性的沉淀，降低洗滌效果。（利

用這點(diǎn)也可以區(qū)分硬水和軟水）

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

爆炸。由于硬水問(wèn)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(wàn)元。

3.硬水的飲用還會(huì)對(duì)人體健康與日常生活造成一定的影響。沒(méi)有經(jīng)常飲硬水

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

蔬菜，會(huì)因不易煮熟而破壞或降低食物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值；用硬水泡茶會(huì)改變茶的色香

味而降低其飲用價(jià)值；用硬水做豆腐不僅會(huì)使產(chǎn)量降低、而且影響豆腐的營(yíng)養(yǎng)成

分。

那么硬水毫無(wú)是處了嗎？不對(duì)，否則怎么會(huì)有那么多的人買礦泉水喝呢。

原來(lái)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(dòng)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(shí)，長(zhǎng)期飲用過(guò)硬或者過(guò)軟的水都不利與

人體健康。我國(guó)規(guī)定：飲用水的硬度不得超過(guò)25度。

硬水經(jīng)過(guò)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(shí)硬水）

煮沸暫時(shí)硬水時(shí)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(jìn)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(jiàn)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(shí)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(huì)轉(zhuǎn)化為等物質(zhì)的量的鈣的硬度，最后被去除。

反應(yīng)過(guò)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(wú)機(jī)和有機(jī)兩種。無(wú)機(jī)離子交換劑，如沸

石等；有機(jī)離子交換劑包括：碳質(zhì)離子交換劑一磺化酶，陰陽(yáng)離子交換樹(shù)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(guò)程是硬性礦物質(zhì)，主要是鈣和鎂被鈉交換或取代的過(guò)

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(shí)際上是溶解的礦石。當(dāng)水流經(jīng)巖層和地壤時(shí)溶解了鈣和

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

時(shí)，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(shù)脂上的軟性礦物質(zhì)鈉交

換。所有這三種礦物都是叫做陽(yáng)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(guò)離子交換樹(shù)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(wàn)顆微細(xì)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(shù)脂處在再生狀態(tài)時(shí)，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(guò)樹(shù)脂貯槽時(shí)，它們與樹(shù)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(gè)理由，離子交換是可能的：

1.所有的陽(yáng)離子并非都有相同強(qiáng)度的正電荷；

2.樹(shù)脂優(yōu)先結(jié)合帶較強(qiáng)電荷的陽(yáng)離子，鈣和鎂離子的電荷比鈉最離子強(qiáng)，

取代鈉陽(yáng)離子，然后向下通過(guò)樹(shù)脂床，流出軟水器，這樣軟水器就送出了“軟”

水。

離子交換樹(shù)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(hào)離子進(jìn)行交換。按交換基團(tuán)性質(zhì)的不同，離子交換樹(shù)脂可

分為陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和陰離子交換樹(shù)脂兩類。

陽(yáng)離子交換樹(shù)脂大都含有磺酸基(一SChH)、竣基(一COOH)或苯酚基

(―C6H40H)等酸性基團(tuán)，其中的氫離子能與溶液中的金屬離子或其他陽(yáng)離子

進(jìn)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(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)

脂，其結(jié)構(gòu)式可簡(jiǎn)單表示為R—S03H,式中R代表樹(shù)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(shù)脂含有季胺基［-N(CH3)30H］、胺基(一NH2)或亞胺基

(_NR/H)等堿性基團(tuán)。它們?cè)谒心苌?H-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(guò)的離子交換樹(shù)脂一般用適當(dāng)濃度的無(wú)

機(jī)酸或堿進(jìn)行洗滌，可恢復(fù)到原狀態(tài)而重復(fù)使用，這一過(guò)程稱為再生。陽(yáng)離子交

換樹(shù)脂可用稀鹽酸、稀硫酸等溶液淋洗；陰離子交換樹(shù)脂可用氫氧化鈉等溶液處

理，進(jìn)行再生。

離子交換樹(shù)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(duì)生產(chǎn)和生活影響

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

某些可溶性有機(jī)物以及氣體等。水里溶解的無(wú)機(jī)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(shuō)，天然水里一般含有Ca2+、Mg2+

等陽(yáng)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(shí)，會(huì)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(huì)發(fā)生沉

淀。

［實(shí)驗(yàn)2-5］用兩個(gè)試管分別取蒸儲(chǔ)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(guò)實(shí)驗(yàn)，我們可以看到盛有蒸儲(chǔ)水的試管里泡沫很多，沒(méi)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?yàn)樘烊凰锖蠧a2+

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(shí)硬

度。具有暫時(shí)硬度的水經(jīng)過(guò)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)具有暫時(shí)硬度和永久硬

度，因此，一般所說(shuō)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(duì)生活和生產(chǎn)都有危害。洗滌用水如果硬度太高，不僅浪費(fèi)肥皂,

而且衣物也不易洗干凈。長(zhǎng)期飲用硬度很高或硬度過(guò)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(shí)硬度太高，十分有害。因?yàn)榻?jīng)過(guò)長(zhǎng)期燒煮后，

水里的鈣鹽和鎂鹽會(huì)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(fèi)燃料，而且會(huì)使管道局部過(guò)熱，當(dāng)超過(guò)金屬允許的溫度時(shí)，鍋爐

管道將變形或損毀，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(duì)天然水進(jìn)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(jiǎn)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(yáng)離子會(huì)跟溶液里其他物質(zhì)的陽(yáng)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(guò)磺化煤時(shí)，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(shí)驗(yàn)2-6］把實(shí)驗(yàn)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(guò)實(shí)驗(yàn)，我們可以看到，硬水軟化以后，加入肥皂水振蕩時(shí)，泡沫很多，

就沒(méi)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(huì)

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(gè)過(guò)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(jiǎn)單，占地面積小，操作方便等優(yōu)點(diǎn),

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(lái)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(shù)脂等物質(zhì)。

煮不爛豆子的水

這是一個(gè)關(guān)于硬水和軟水來(lái)歷的故事。

美國(guó)南北戰(zhàn)爭(zhēng)期間，有一隊(duì)北方士兵來(lái)到一個(gè)泉水淙淙的村莊。因?yàn)闀r(shí)間已

近中午，他們便就地架起行軍鍋，挑來(lái)了附近的山泉水，燒起飯菜來(lái)。就餐時(shí)，

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

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

是一樣的硬。

奇怪，豆子還是原來(lái)的豆子，鍋還是原來(lái)的鍋，難道問(wèn)題出在水上面？

的確如此。原來(lái)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(shí)，稱為暫時(shí)硬水，當(dāng)這種硬水加熱煮沸時(shí)，

碳酸氫鹽會(huì)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(shí)鈣鹽和鎂鹽會(huì)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(shí)還會(huì)

堵塞管道。因此，鍋爐用水必須經(jīng)過(guò)軟化處理（見(jiàn)）。

2.軟水：只含少量可溶性鈣鹽和鎂鹽的天然水，或是經(jīng)過(guò)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