2019-2020年高中化学专题一多样化的水处理技术第二单元硬水软化学案苏教版选修 4页

'2019-2020年高中化学专题一多样化的水处理技术第二单元硬水软化学案苏教版选修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。各个品牌的矿物质水在市场上一直卖得很火。很少有人追问，在水中添加矿物质类的食品添加剂，有必要吗？会安全吗？消费者一般把矿物质水等同于矿泉水，以为对人体有益。南方某报发表大篇幅文章，对某品牌矿物质水进行“揭秘”，称其为“靠添加剂赚大钱”；同题配发一幅漫画更是形象生动，将该品牌矿物质水描画成直接从水龙头放水装瓶，然后贴上矿物质水的标签。专家呼吁，国家应通过立法或行政规范的形式，禁止在饮用水中添加食品添加剂，保障国民饮水安全。思考：纯净水能长期饮用吗？矿物质水有利于健康吗？提示：纯净水中没有人体必需的矿质元素，矿物质水的酸碱度不符合要求，对人体健康不利。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Ca2＋、Mg2＋的水对人体是有利的。Ca2＋可以补充牙齿和骨骼所需要的钙，Ca2＋、Mg2＋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Ca2＋、Mg2＋的水。软水：含有少量Ca2＋、Mg2＋或不含Ca2＋、Mg2＋的水。3．暂时硬度和永久硬度暂时硬度：水的硬度是由Ca(HCO3)2或Mg(HCO3)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化软化。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：Ca2＋＋CO===CaCO3↓CaO＋H2O===Ca(OH)2Mg2＋＋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Ca2＋、Mg2＋等阳离子和HCO、Cl－、SO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：2RSO3H＋Ca2＋===(RSO3)2Ca＋2H＋RN(CH3)3OH＋Cl－===RN(CH3)3Cl＋OH－H＋＋OH－===H2O(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。思考讨论：一条柔软的毛巾，用久了，就会变得又干又硬，这是怎么回事呢？如何处理？提示：在我们的生活用水中，往往溶解有许多种矿物质，其中含钙、镁盐较多的水叫硬水。自来水、河水和井水都是天然硬水。洗脸用的香皂中的主要成分，溶于水后会和钙、镁结合，形成不溶于水的沉淀物。时间久了，这些沉淀物就会一点一点地积存在纤维中间，使毛巾变得干硬。把发硬的毛巾放进醋水中煮，能使沉淀物脱落，毛巾会重新变软。1．硬水的分类及危害如果水的硬度是由Ca(HCO3)2或Mg(HCO3)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Ca2＋、Mg2＋与肥皂反应生成不溶于水的物质，不仅浪费肥皂，也洗不干净衣物。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。拓展思考1：水为什么存在硬度？提示：天然水与空气、岩石和土壤等长期接触，其中溶解了许多杂质，如无机盐类、某些可溶性有机物以及气体等，通常含有Ca2＋、Mg2＋等阳离子和HCO、CO、SO、Cl－、NO等阴离子。不同地区的天然水里含有这些离子的种类和数量不同。一般地说，地下水、泉水中含Ca2＋、Mg2＋较多，而雨水、河水、湖水中含Ca2＋、Mg2＋少一些。通常按水中Ca2＋、Mg2＋的多少，把天然水分为硬水和软水。含有较多Ca2＋、Mg2＋的水叫做硬水；含有少量Ca2＋、Mg2＋或不含Ca2＋、Mg2＋的水叫做软水。2．硬水软化的方法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以用加热的方法进行软化。Ca(HCO3)2CaCO3↓＋CO2↑＋H2OMg(HCO3)2MgCO3↓＋CO2↑＋H2OMgCO3＋H2OMg(OH)2↓＋CO2↑(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。药剂法通过向硬水中加入适当的化学药剂，与Ca2＋、Mg2＋发生化学反应，使Ca2＋、Mg2＋以沉淀的形式分离出来，达到软化硬水的目的。常用的化学药剂有纯碱、石灰等。对于工业锅炉用水，还有一种用磷酸盐作药剂的处理方法，使沉淀物悬浮在水中而不结垢。离子交换法是利用离子交换反应原理，软化硬水的方法。其中常用的一种为磺化煤(NaR)作离子交换剂：2NaR＋Ca2＋===CaR2＋2Na＋2NaR＋Mg2＋===MgR2＋2Na＋用8%～10%的食盐溶液浸泡可使失去软化能力的磺化煤再生：CaR2＋2Na＋===2NaR＋Ca 2＋。拓展思考2：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：用离子交换树脂软化硬水的时候先让水通过阳离子交换树脂，这样硬水中的Ca2＋、Mg2＋等阳离子先与阳离子交换树脂中的H＋起离子交换作用，然后硬水中的HCO、Cl－、SO等阴离子与阴离子交换树脂中的OH－起离子交换作用。若顺序反过来，则硬水中的Ca2＋、Mg2＋等阳离子与阴离子交换树脂中的OH－起反应，而生成沉淀，影响离子交换的效率。知识点1暂时硬度和永久硬度【例题1】下列说法正确的是(　　)。A．软水中一定不含Ca2＋、Mg2＋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．经过磺化煤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Ca2＋、Mg2＋含量的多与少，不是有与没有，故A项不对；煮沸的过程是Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2的分解以及MgCO3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Ca2＋、Mg2＋浓度降低，但不一定能降低到软水中Ca2＋、Mg2＋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；磺化煤只能交换阳离子，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知识点2硬水软化【例题2】某种纯净水生产线的主要工艺流程如下图所示：阅读该纯净水生产线的有关资料后回答问题：资料：反渗透器的核心部件是RO芯，RO芯是由多层反渗透复合膜组成的，原用于太空宇航员进行废水再生。RO芯的孔径很小，大约是普通细菌的1/600，细小固体，有机物杂质不能透过，简单离子、水可以通过。生产时为保证成品的质量，通常控制水压使成品产率在50%左右。RO芯部分工作参数如下：硬度铁游离氯有机物…＜1.7mg·L－1＜0.1mg·L－10.1mg·L－1＜1mg·L－1…(1)纯净水一定是不含任何杂质的水吗？(2)许多食品、饮料都以大肠杆菌的含量作为卫生标准之一，主要原因是什么？(3)纯净水的国家标准中，“霉菌、酵母菌”为“不得检出”，“大肠杆菌”为“≤3MPN/100mL”，主要原因是什么？(4)水中的Ca2＋和Mg2＋是引起水的硬度的主要因素，硬度的表示方法是：将水中的Ca2＋和Mg2＋都看作Ca2＋，并将其质量折算成1L水中含有的CaO的质量。可用一定浓度的Y溶液进行滴定，Y跟Ca2＋和Mg2＋都以等物质的量完全反应。该工厂现用地下水生产纯净水，取地下水样品25.00mL，用0.01000mol·L－1Y溶液滴定，完全反应时消耗Y溶液15.00 mL。试判断该地下水是否可直接用来生产纯净水？解析：本题为一道关于水及污水处理的综合题，其中前面三问可根据教材中的知识进行类比回答，而第四问则需要列式计算。纯净水是含有少量杂质的水，所以也是软水；食品和饮料最容易受到的污染就是大肠杆菌，它反映了饮用水被污染的程度。(4)设钙离子的物质的量为x。Ca2＋　＋　Y　―→　CaY2＋1mol　　1molx　　　　0.01000mol·L－1×15.00×10－3L解得：x＝1.5×10－4mol，则1L水中含有钙离子的物质的量n(Ca2＋)＝×1.5×10－4mol，进一步可计算出氧化钙的质量m(CaO)＝56g·mol－1××1.5×10－4mol＝336×10－3g＝336mg。答案：(1)纯净水也可能含有少量的杂质。(2)①人类的粪便中约有为大肠杆菌；②它的含量反映了饮用水等被污染的程度。(3)①前者为真核细胞，后者为原核细胞；②后者的体积比前者小得多。(4)该地下水的硬度为336mg·L－1，不符合要求。点拨：生活中存在的实际问题，又与物理、化学及经济问题联系起来，是培养我们分析和解决实际问题的好素材，有利于我们学习关注社会，学会独立核算，学会科学决策。首先熟练掌握教科书中的有关知识，弄清净化水的原理、常用的消毒灭菌的试剂，结合题意就可回答有关的问题。1下列广告用语在科学上没有错误的是(　　)。A．这种饮料中不含任何化学物质B．这种蒸馏水绝对纯净，其中不含任何离子C．这种口服液含丰富的氮、磷、锌等微量元素D．没有水就没有生命解析：解答本题要联系实际，饮料中至少含有水，水就是一种化学物质。且无论如何纯净的水都存在水的电离，都有H＋、OH－。氮、磷是农作物生长所必需的成分，而非口服液的成分，且氮、磷不是微量元素。水在各种动植物体中都占有相当大的百分含量，所以没有水就没有生命。答案：D2用下列方法除去含Ca2＋、Mg2＋、Cl－、HCO的硬水，所得的水中含离子浓度最小的是(　　)。A．蒸馏B．加热煮沸C．加Ca(OH)2与Na2CO3D．离子交换法解析：蒸馏过程中，只有水被蒸出。答案：A3现有三瓶试剂，其中分别为蒸馏水、暂时硬水、永久硬水，请自选试剂设计一个简单的实验，将其区别开来。解析：暂时硬水中含有较多的Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2，加热即有沉淀生成；而永久硬水中含有较多的CaCl2、MgCl2、MgSO4、CaSO4等，加热不会出现沉淀，只有加入肥皂水或Na2CO3等才会有沉淀。答案：取三种水少许，分别置于三支试管中，加热，产生沉淀的为暂时硬水；再向剩余两支试管中加肥皂水或Na2CO3溶液，产生白色沉淀的是永久硬水，无现象的是蒸馏水。'