自来水硬度测定并软化
一、硬水的定义
所谓"硬水"是指水中所溶的矿物质成分多，尤其是钙和镁。硬水并不对健康造成直接危害，但是会给生活带来很多麻烦，比如用水器具上结水垢、肥皂和清洁剂的洗涤效率减低等。
水是一种很好的溶剂，能有效去除污物杂质。纯水--无色、无味、无臭，被称作是"通用溶剂"。当水和二氧化碳结合生成微量的碳酸时，水的溶解效果更好。当水流过土地和岩石时，它会溶解少量的矿物质成分，钙和镁就是其中最常见的两种成分，也就是它们使水质变硬。水中含钙、镁等矿物质成分越多，水的硬度越大。水的硬度是指溶解在水中的盐类物质的含量，即钙盐与镁盐含量的多少。含量多的硬度大，反之则小。硬度又分为暂时性硬度和永久性硬度。由于水中含有重碳酸钙与重碳酸镁而形成的硬度，经煮沸后可把硬度去掉，这种硬度称为暂时性硬度，又叫碳酸盐硬度，水中含硫酸钙和硫酸镁等盐类物质而形成的硬度，经煮沸后不能去除的硬度，称为永久性硬度。以上两种硬度合称为总硬度。
二、硬水的由来
当水在大气中凝聚时，它溶解了空气中的二氧化碳，形成了叫做碳酸的弱酸。该酸最终随雨落到地上，然后流过土壤上部到达岩石层，碳酸溶解了石灰(碳酸钙和碳酸镁)，中和，并同时变硬。硬水有暂时性及永久性之分，暂时硬水通常关系到钙和镁的碳酸盐和碳酸氢盐，这类结晶可长期存在水中，直到气压或温度出现变化，使水份变成超饱和，造成沉淀物，附在热表面或粗糙表面上，例如管道和热交换器内，即形成硬水垢;永久性硬水主要关系到硫酸钙及硫酸镁，是不会受到热和气压变化影响，但如水份被蒸发，依然会留下并形成硬水垢。
三、问题背景:
水质硬度较高，家庭中自来水经过煮沸后会出现很厚的一层沉淀，熬粥或者做汤时我们都把它吃掉了，洗衣服时消耗更多的洗衣粉。有的家庭会不停的买纯净水，一般的家庭都达不到。因而将硬水软化变得很有必要。根据上述存在的现实问题，我们设置一个问题情景，引导学生思考、探究，通过查阅资料选择可行的方法解决问题
四、硬水的不利影响
1、对人的影响:
水的硬度的高低与人体的关系极大。高硬度的水中的钙、镁离子能与硫酸根结合，使水产生苦涩味，还会使人的胃肠功能紊乱，出现暂时的腹胀、排气多、腹泻等现象。我国北方不少地方饮用硬度较高的地下水，所以久居南方的人初到北方，开始一段时间会出现所谓“水土不服”的现象，时间长了，胃肠渐渐适应后，这种现象就会随之消失。 但硬水也不是好毫无益处。美、英等国家的一些科学家根据调查发现，人类的某些血管病，像高血压和动脉硬化性心脏病的死亡率，与饮水的硬度成反比关系，水的硬度低，死亡率反而高。 实验证明，缺镁可引起大白鼠的心肌坏死和心血管内膜钙盐沉积，摄入较多量的镁可预防胆固醇所引起的动脉粥样硬化。生活在山区的人通常比较健康长寿，除其它各种因素外，和他们长期饮用矿物质含量比较高的山泉水有重要关系。当然，生活用水的硬度也并非越高越好，硬度太硬的水除了水味不好、对人体健康不利之外，还会使肥皂大大降低去污能力低 硬度高的水对人毕竟是弊多利少，因此世界各国制定的饮用水质量标准中，都对硬度作了明确规定。
2、对纺织、印染业的影响:硬水用于洗涤纺织品时会造成纺织品污点，影响美观与强度。
3、对饮食业的影响:用硬水加工食品，会造成蛋白质沉淀，较难煮熟;在酿酒中，如果水质较硬，酒浑浊且味道不好。
4、对农业的影响:硬水对农药也有影响，它会与乳化剂生成沉淀，降低药效，甚至产生药害。
5、对锅炉的影响:锅炉内结成坚硬的水垢后，锅炉内的水不直接跟炉壁接触，使热量不能很快被吸收，炉壁温度可达1000?以上，外表会形成易脱落的氧化膜，发生严重的氧化腐蚀，致使锅炉寿命大大减短。另外当水垢分解时，会放出大量CO2，使水垢局部爆裂脱落;当炉壁在高温下，一旦有水从缝中渗入，炉
壁骤热冷却，就易发生炸裂。硬水还浪费燃料，当锅炉内壁产生1mm厚水垢时，就要多消耗煤碳3%,5%。另外，硬水对热交换器也有影响，在交换器管道中，硬水会产生水垢阻碍水流通、热交换效果差并且容易产生垢而腐蚀管壁，致使管道穿孔、损坏，物料泄漏等。
6、水的硬度对水草的影响
硬度离子中的钙及镁离子是水草的必要养分(次要营养元素)，铁、锰、铜等离子也是微量营养元素，由此看来，硬度对水草养分的获得，应该具有正面的助益。但水体中的各种养分如果存在比例不均衡，会发生相互拮抗作用，已知钙有阻止水草对水分之吸收而有利于养分吸收之作用，适与钾之作用相反，故钙与钾必须要有适当比例，否则钙与钾之间必会发生拮抗作用，让水草只能吸收钙或钾，不能吸收钾或钙，对水草的生长一定有极不良的后遗症。硬度对水草的影响，主要是建立在养分相互之间的拮抗作用，尤其是钙与钾之间的拮抗作用之上。水草无法生活在GH,0的水中，也不可以生活在硬度极高的水中，所以GH是水草育成的基本条件，一般以GH介于软水至适度硬水较为适当。作为碳酸根或重碳酸根(HCO3,)的浓度值KH，不是水草育成的条件本身对水草生长无太大关系，但它会影响水体的pH值，以及当水草缺乏CO2来源时，供作光合作用所需要的无机碳源，对水草的育成有密切的关系。因此，水草可以生活在KH,0的水中(但必须输入CO2及预防pH值过低)，也可以生活在KH,25?KH以上的水中(但必须预防pH值过高)，不过一般以4-10?KH最适当，因为在这范围之内，水体的pH值较为稳定，同时水体也能涵容适当的无机碳源供水草进行光合作用之用。二、活动目的。了解水的硬度的概念以及水的硬度的表示方法，了解测定水硬度的意义，学会测定我们日常饮用水的硬度并进行软化。在集体与个人相结合的探究活动中培养学生学科学、爱科学、用科学、信科学和客观、求真、探索、合作、竞争等科学精神。通过活动培养学生能将所学的科学知识与实际问题结合，提出解决问题的设想，并与他人合作讨论设计完成实验;在实验过程中能积极思考问题，随时调控实验过程，
记录
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实验结果，并能按给定的
格式
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完成研究
报告
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五、水硬度的测定
1.标定
标定的基准物有:金属Zn、ZnO、CaCO等。 3
,,，2+2Ca+HIn=CaIn+H
,,2+22+Ca+HY=CaY+2H 2
,,,,222+CaIn+HY=CaY+HIn+2H 2
红色 蓝色
2.测定
2+2+水的硬度是指水中除碱金属外的全部金属离子的浓度。由于Ca、Mg含量远比其它金属离子为高，
2+2+?所以通常以水中Ca、Mg 总量表示水的硬度。用度表示(1=10mgCaO)。
用EDTA配位滴定法测定水的硬度是一个准确而快速的方法，它是在pH=10的氨性缓冲溶液中，以铬黑
2+2+T为指示剂，用EDTA标准溶液直接测定水中的Ca 和Mg。
2+2+2+2+ pH=10时，Ca 和Mg与EDTA生成无色配合物,铬黑T则与 Ca 、Mg生成红色配和物。由于lgK
lgKEDTA首先和溶液中Ca 配位，然后再与Mg配位，反应如下: MgY′
,,2+22+Ca+HY=CaY+2H 2
,,2+2 2+Mg+HY=MgY+2H 2
,2+到达化学计量点时，由于 lgK> lgK稍过量的EDTA夺取MgIn 中的Mg,使指示剂释放出来，显示MgYMgIn′
指示剂的纯蓝色，从而指示滴定终点，反应如下:
,,,,222+MgIn+ HY= MgY+ HI + H 2n
红色 蓝色
2+2+2+2+在测定水中 Ca、Mg含量时，因当Mg与EDTA定量配合时，Ca 已先与EDTA定量配位完全，
2+3+3+2+因此，可选用对Mg较灵敏的指示剂来指示终点。如果水样中存在 Fe、Al、Cu时，对铬黑T有封闭
2+3+3+2+作用，可加入NaS使Cu成为CuS沉淀，在碱性溶液中加入三乙醇胺掩蔽 Fe、Al。Mn存在时，在2
4+碱性条件下可被空气氧化成Mn，它能将铬黑T氧化褪色，可在水样中加入盐酸羟胺防止其氧化。用aOHN
2+调节水试样pH=12.5使 Mg形成Mg(OH)沉淀，以钙指示剂确定终点，用EDTA标准滴定溶液滴定，2
终点时溶液由红色变为蓝色。
3、试剂:(1)EDTA;(2)EBT指示剂;(3)钙指示剂;(4)CaCO;(5)1:1HCl;(6)1mo1)3-1LNaOH;(7)NH-NHCl缓冲溶液 34
4、实验内容:
-1 1)(0.01 mo1)LEDTA溶液的配制:称取1.2gEDTA，溶解后稀释到300mL。
-1 2+2)(0.01 mo1)LCa标准溶液的配制:称取<110?>干燥过的CaCO,0.2,0<.3g>，润湿，表面皿，3滴加HCl，5mL,稀释转移250mL容量瓶中。
-1 2+-13)(0.01 mo1)LEDTA溶液的标定: 移取25.00mLCa标准溶液，加1mo1)LNaOH;少许钙指示
剂，用EDTA滴定。平行测定三份。
2+-14)(水中Ca的测定:移取50.00mL水样，加1mo1)LNaOH;少许钙指示剂，用EDTA滴定。VmL，1
平行测定三份。
2+2+5)(水Ca、Mg的测定:移取50.00mL水样，加5mL NH-NHCl缓冲溶液;少许EBT指示剂，用EDTA34
滴定。VmL，平行测定三份。 2
5、数据处理
-1 1( 0.01mo1)LEDTA溶液的标定
2+2(水中Ca的测定
2+2+3(水Ca、Mg的测定
〖注意事项〗
水样中含有 Ca(HCO)，当加碱调节pH,12时，Ca(HCO)形成CaCO沉淀而使结果偏低，32323而且滴定终点拖长，变色不敏锐。
Ca(HCO)+2NaOH= CaCO?+NaCO+2HO 323232
故应加入HCl酸化并煮沸使 Ca(HCO)完全分解。 32
Ca(HCO)+2HCl =CaCl+2HO+2CO? 32222
2+加入NaOH量不宜过多，否则一部分Ca被Mg(OH)吸附，致使钙硬度结果偏低，加入NaOH量不足时, 22+Mg沉淀不完全，钙硬度结果偏高。
六、水样的软化
[分组] 学生提出
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
并进行实验，然后再依次测定软化后水的硬度。比较结果、讨论各种方法的优缺点。
七、活动方法:
标定EDTA溶液(平行二份) 吸取10.00 mmol/L的Ca2+标准溶液25.00 ml于锥形瓶中，加5ml pH=10的缓冲溶液，加约0.1克铬黑T指示剂，用EDTA溶液滴定至溶液由酒红色变为纯蓝色，记下EDTA溶液的用量Vo。总硬度的测定(平行二份)吸取水样25.00 ml于锥形瓶中，加2 滴HCl酸化，加热煮沸除去CO2，冷至室温。用NaOH或HCl将溶液调至中性。加5滴盐酸羟胺、1ml三乙醇胺、1mlNa2S、5ml缓冲溶液、约0.1克铬黑T指示剂，用EDTA溶液滴定至溶液由酒红色变为纯蓝色，记下EDTA溶液的用量V1。
钙硬度的测定(平行二份)
吸取水样25.00 ml于锥形瓶中，加2 滴HCl酸化，加热煮沸除去CO2，冷至室温。用NaOH或HCl将溶液调至中性。加5滴盐酸羟胺、1ml三乙醇胺、1ml 2mol/L NaOH、约0.1克钙指示剂，用EDTA溶液滴定至溶液由酒红色变为纯蓝色，记下EDTA溶液的用量V2。
水样的软化
附一:知识背景:
天然水的硬度一般由Ca2+、Mg2+来决定，水中Ca2+、Mg2+ 等盐的含量称为水的硬度。其它Fe3+、Al3+、Mn2+、Sn2+、Zn2+、 等金属同时也会造成硬度,但一般情况下,它们的存在量很少,硬度是衡量水质好坏的重要指标之一。硬度有暂时硬度和永久硬度。
暂时硬度有Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2、等, 它们遇热时可以从水中沉淀出来而失去硬性。有关反应如下: Ca(HCO3)2 = CaCO3?+H2O + CO2?
Mg(HCO3)2 = MgCO3?+H2O + CO2?
永久硬度指非碳酸盐硬度,即钙、镁的氯化物,硫酸盐等,这些物质加热时也不会除去。
水的总硬度一般采用络合滴定法测定。在pH=10时,以K-B 指示 (或铬黑T)指示终点,用EDTA滴定水中Ca2+、Mg2+总量,然后换算为相应的硬度单位 。
由于铬黑T与Mg2+显色反应灵敏较高,与Ca2+显色灵敏度较低,所以用铬黑T为指示剂时,可在标定前于EDTA中加入少量Mg2+,或在缓冲溶液中加入一定量的Mg-EDTA盐。
水中如有较大量的Fe3+、,Al3+,可加入三乙醇胺掩蔽,有Pb2+、Cu2+、Zn2+等重金属离子存在时,可用KCN,Na2S或巯基乙酸等掩蔽。
硬度的表示方法一般以度(0)为计, 它表示十万分水中含有一份CaO,即一升水中含有10mg CaO时为1?,这称为一个硬度单位。
硬水软化参考方法
煮沸法(只适用于暂时硬水)
煮沸暂时硬水时的反应:
Ca(HCO3)2 =CaCO3 ?+H2O+CO2?
Mg(HCO3)2 =MgCO3? +H2O+CO2?
由于CaCO3不溶，MgCO3 微溶，所以碳酸镁在进一步加热的条件下还可以与水反应生成更难溶的氢氧化镁:
MgCO3 +H2O = Mg(OH)2 ?+CO2?
由此可见水垢的主要成分为CaCO3和Mg(OH)2
浙公网安备 33021202002483