高中化学 第二单元 化学与资源开发利用 课题1 获取洁净的水学案 新人教版选修2-新人教版高二选修2化学学案

课题1获取洁净的水名师导航知识梳理一、天然水的净化1.混凝法：天然水（________、________）→明矾[Al3++3H2OAl（OH）3（胶体）+3H+]，氢氧化铝胶体带_________电，与天然水中的_________电荷胶体发生聚沉，同时氢氧化铝胶体还可以吸附杂质。除明矾外，还可以使用硫酸铝，聚合铝（受到质疑）、绿矾、硫酸铁都可用于净水。水处理方法选择需要考虑的因素：_________及_________要求；成本核算；综合评价。饮用水消毒剂：_________、_________、二氧化氯、臭氧等。2.化学软化法(1)概念：硬水——含钙、镁离子较的_________水；软水——含钙、镁离子较的_________水。1L水中含有10mgCaO或相当于10mgCaO，称为1°。8°以上的称为硬水，8°以下的称为软水，30°以上的称为超硬水。硬水的危害：生活水中如洗衣服时会消耗更多的_________；工业用水中如锅炉用水会造成锅炉爆炸。由碳酸氢镁和碳酸氢钙引起的硬度叫_________硬度；由氯化钙、镁，硫酸钙、镁等引起的硬水的硬度叫_________硬度。(3)(4)离子交换法原理：___________________________________。(5)离子交换树脂的再生：置于5%食盐水浸泡，原理如下：_____________________________。二、污水处理一级处理：通常采用物理方法即用_____________等除去污水中不溶物（达不到排放标准只是预处理）。二级处理：采用（微）生物方法及某些化学方法除去水中可____________有机物和部分胶体污染物（可达农业灌溉标准及废水排放标准）。三级处理：主要采用____________法、氧化还原法、离子交换法和反渗法等，对污水进行深度处理和净化，可用于绿化和景观用水。1.中和法：____________废水用碱（石灰水）中和，____________废水用酸（二氧化碳或硫酸）中和，若废水中酸或碱的浓度较大，则可以回收利用。2.沉淀法：重金属离子如汞离子、铜离子、铅离子都可用____________离子来沉淀。三、海水淡化蒸馏法淡化海水——为提高蒸发效率，一般采用__________蒸馏电渗析法淡化海水——离子交换膜选择透过（________膜与________膜），原理如图2-1：图2-1知训导学关于天然水主要充分理解以下几点：净化方式：天然水的净化有自净和人工净化,在水质较好的情况下,自净就可以达到饮用水的标准,但随着工业化规模的发展,现有天然水主要依靠人工净化。主要有左栏所列的方法。人工净化天然水的标准：是根据天然水与饮用水或工业用水的标准二者之间的差别来进行的，将不符合用水标准的物质除去是主要的净化手段。天然水含有的杂质：一般天然水中含的杂质有悬浮物、胶体及可溶性杂质。除杂质的方法：悬浮物可以用沉降、沉淀及过滤等方法除去；而胶体则可以设法凝聚为沉淀后除去；可溶性杂质种类非常多。溶解在天然水中的物质大致可分为五个方面：主要离子、溶解气体、营养物质、微量元素和有机物质。离子中最主要的又是钙和镁，除钙和镁最常用的方法则是石灰和纯碱，生成氢氧化镁和碳酸钙沉淀后过滤除去。首先应该清楚天然水污染的主要原因，针对污染的途径，采取不同的处理方式。营养物质对天然水的污染越来越严重，特别是氮和磷的污染，造成的污染成为天然水污染的首要原因。合理地使用化肥、洗涤剂，加强水处理工作都是非常有效的手段。充分理解污水处理的意义，重点掌握三级处理净化方法。不同的废水采用不同的方法来处理，每种方法的原理、所用的试剂及反应的方程式都是不同的，都要一一掌握。海水的处理方法的选择主要从成本和提高效率来考虑。海水的处理成本较低的方法是蒸馏法，要提高蒸馏法的效率，可以采用减压蒸馏的措施，但成本就会增大。电渗析法及选择性离子交换膜的使用使海水的净化效率大大提高，如何降低成本，扩大其应用范围，将是其今后的主要发展方向。疑难突破1.城市污水如何处理？剖析：城市污水处理是用物理、化学或生物方法，或几种方法配合使用以去除污水中的有害物质，按照水质状况及处理后出水的去向确定其处理程度，污水处理一般可分为一级、二级和三级处理。一级处理采用物理处理方法，即用格栅、筛网、沉沙池、沉淀池、隔油池等构筑物，去除污水中的固体悬浮物、浮油，初步调整pH，减轻废水的腐化程度。二级处理是采用生物处理方法及某些化学方法来去除污水中的可降解有机物和部分胶体污染物。经过二级处理后，污水中BOD的去除率可达80%—90％，即BOD含量可低于30mg·L-1。三级处理是进一步去除二级处理未能去除的污染物，如磷、氮及生物难以降解的有机污染物、无机污染物、病原体等。污水的三级处理是在二级处理的基础上，进一步采用化学法（化学氧化、化学沉淀等）、物理法（吸附、离子交换、膜分离技术等）以除去某些特定污染物的一种“深度处理”方法。2.饮用水消毒剂选用应考虑哪些问题？如何针对不同的水源和用水要求采用不同的化学方法处理？剖析：饮用水消毒传统采用氯气，它具有杀菌效率高、成本低、操作方便等优点，但近来科学研究表明，它可以导致水中的残渣及其他有机质发生各种复杂变化，甚至产生致癌物质，所以现在正在开发新一代饮用水消毒剂。二氧化氯、臭氧、过氧乙酸、双氧水等。另外，不同的饮用水源、不同的饮用水标准对消毒剂要求也不同。一般是水源越差，水质要求越高，选择消毒剂时应选择消毒效率高的消毒剂，反之，可以选择消毒效率能达到要求的消毒剂即可。3.如何理解海水淡化的原理？剖析：海水淡化的目的是去除海水中超标的盐，降低盐的浓度。最简单的方法是利用太阳能蒸发水分，收集蒸馏水。其次可以采用减压蒸馏方法，降低水的沸点，使水在较低的温度下蒸发，收集蒸馏水。现在大规模淡化海水则采用电渗析法。如下图所示：海水进入电渗析装置后，在电场作用下，钠离子和氯离子都要作定向移动：钠离子向阴极移动，氯离子向阳极移动，但阳离子选择性透过膜只能让钠离子通过，阴离子选择性透过膜只能让氯离子通过，所以，在电渗析装置中就出现了“一格海水被浓缩，另一格海水被淡化”的情况，我们只需要将淡水引出即得淡化水，而浓缩后的卤水则可以作为海水加工的原料得到进一步的利用。图2-2疑难导析首先弄清城市污水的成分，主要含有哪些杂质。它通常由生活污水与工业污水组成，生活污水除含有大量悬浮物以外，还含有各种有机质及其残渣；工业污水则因工厂生产的产品不同而存在着较大的差异，所以我们这里的污水处理更主要的是指对生活污水的处理。其次根据污水处理的方法除去含有的有害杂质。一级为预处理，主要去除污水中的悬浮物、油等杂质，初步调整水的pH；经二级处理后，水中的溶解氧将得到明显的增加；三级处理是比较彻底地净化，它要将前两级处理中没有除尽及无法除去的杂质彻底除去，以达到排放标准或再利用的水源标准。主要从饮用的对象、消毒剂的性质、副作用、成本等几个方面来考虑。饮用水消毒主要针对病原体进行，不同的污水来源其病原体种类及性质也可能不同，但消毒剂一般都选择强氧化性物质或吸附性较强的物质，并尽量减轻它所产生的副作用，最好是没有副作用。同时，消毒剂的成本也是不得不考虑的因素之一。考虑水源水质的要求来选用不同的消毒方法。从海水淡化的目的和每种方法的具体过程、优劣来理解。蒸馏法淡化海水的原理十分简单，成本也很低，但通常效率不高，淡化工厂需要占据很大的面积。早期的海水淡化工厂多建在海边向阳的海滩上，依靠巨大的蒸发面积而实现大规模淡化海水的目的。离子选择性交换技术和电渗析技术的应用是海水淡化的发展方向。但目前成本还较高，这是制约海水淡化技术的主要瓶颈问题，也是海水淡化技术的研究重点和方向。随着离子交换膜技术的发展，高效率、低成本、稳定性强的离子交换膜得到了长足的发展，现在的离子交换膜同早期的离子交换膜在很多方面都进行了若干次的更新换代，所以离子交换和电渗析技术结合淡化海水的工业化水平已经达到了一定的规模，这为我国广大缺水地区带来了福音。问题探究问题1：如何理解天然水净水过程及原理？探究：天然水一般可分为大气水、地表水和地下水。大气水（atmospheremoisture）指以水蒸气、云、雨、雪及冰雹的形式存在的水。地表水（surfacewater）包括江河水、湖泊水及海洋水。地下水（groundwater）是指存在于土壤层和岩石层的水。天然水体中除了水以外，还有其他各种物质，根据它们在水中存在的形态不同，可将这些物质分为三类，即溶解物质、胶体物质和悬浮物质。天然水净化主要是通过过滤、沉降等方法将悬浮物除去；通过吸附等除去胶体；针对不同的地质条件、气候条件、土壤与岩石条件进行不同的处理方法除去。天然水净化的流程：天然水→混凝→过滤→杀菌→净水。问题2：如何根据污水成分或性质选择试剂、采取处理方法？探究：水污染通常是指排入水体的污染物超过了该物质在水体中的本底含量和水体的环境容量即水体对污染物的净化能力，因而引起水质恶化，水体生态系统遭到破坏，造成对水生生物及人类生活与生产用水的不良影响。污水通常有两类：一类是自然因素造成的，如地下水流动把地层中某些矿物溶解，使某些地区水体盐分、微量元素浓度偏高或因植物腐烂产生的毒物而影响了当地的水质。这一类污水可根据污水中的盐分或微量元素的性质采取方法除去，如铁离子超标的污水可以加入熟石灰沉淀除去；如果是植物腐烂造成的污水也可根据植物分解产生的毒物的性质加以净化，如植物腐烂产生的硫化氢可以加入熟石灰或漂白粉将其除去。另一类是人为因素造成的，主要是工业排放的废水。还包括生活污水、农田排水、降雨淋洗大气中的污染物以及堆积在地上的垃圾经降雨淋洗流入水体的污染物。随着工农业生产的发展，城市生活污水、工农业生产废水经过降水和径流过程，污染物最终也进入水体，此外还包括石油和其他工业废水进入海洋而造成的水污染。这一类污水的情况往往没有一种通用的试剂或方法来净化，只能依据形成污水的原因，对症下药采取措施。问题3：如何理解离子选择性交换膜在水处理中的应用？探究：膜技术被称为是21世纪的水处理技术,是近40年来发展最迅速、应用最广泛的技术。膜技术在水处理中应用的基本原理是：利用水溶液（原水）中的水分子具有透过分离膜的能力，而溶质或其他杂质不能透过分离膜，在外力作用下对水溶液（原水）进行分离，获得纯净的水，从而达到提高水质的目的。与传统水处理技术相比，膜技术具有节能、投资少、操作简便、处理效率高等优点，膜技术的应用给人类带来了巨大的环境和经济效益。问题导思关键掌握天然水的成分与净化标准，二者的差异就是对我们净化水的要求，因此，天然水存在的三类与净化水标准不符的物质就必须将其除去。然后了解这些杂质的性质，根据性质的不同采用不同的方法一一除去。固体悬浮物采用沉降、过滤等法除去；胶体采用凝聚的方法除去；病原体加入消毒剂杀灭；其他的可溶解杂质加入化学试剂将其一一除去。根据除杂质的顺序，就可以掌握天然水的进化过程。污水与净水的关系正如病人与健康的关系一样，对症下药才能做到药到病除，所以首先弄清杂质的来源，主要是什么成分、性质如何，然后看能否将其转化为沉淀、气体等脱离水体的物质，否则就要看能否进行无害化处理。从而选用不同的试剂采用不同的方法。污水处理方法的选择是一项与社会经济密切相关的工作，一方面要考虑净化的水质能保证满足人们的生产和生活需要，另一方面也要尽量降低成本，走资源节约化的道路。对自然因素和人为因素造成的污水，分别根据污水的实际情况考虑以上两个方面采取不同的方法。主要明确膜技术在水处理中应用的基本原理、优点以及成本。对于原理部分理解膜的特点具有选择性，水溶液（原水）中的水分子具有透过分离膜的能力，而溶质或其他杂质不能透过分离膜。如何用更低的成本生产出选择性更高、寿命更长的膜是膜技术从实验室及高科技领域向民用生产和生活领域推广的关键一步。典题精讲【例1】“益生”牌矿泉水标签上印有主要成分如下：（单位mg·L-1）Ca：20.0；K：39.1；Mg：3.2；Zn：0.06；F：0.02；重碳酸（HCO3－）：7；偏硅酸（）：4，并且特意注明“绝不含CO2”等字样。(1)这里的Ca、K、Mg、Zn、F是指___________。A.单质B.元素C.离子D.分子(2)这里的重碳酸是指化学上的___________。A.碳酸氢根（HCO3－）B.碳酸C.两者都是D.两者都不是(3)这里的偏硅酸是指化学上的___________。A.硅酸钠（Na2SiO3）B.硅酸根（）C.硅酸（H2SiO3）D.原硅酸（H4SiO4）(4)“绝不含CO2”思路解析：这是一道化学基本概念知识在生活中的应用题。水中的质量分数是指某种元素的质量分数；标签上已经注明重碳酸和偏硅酸的成分分别是碳酸氢根和硅酸根；绝不含二氧化碳说明已经将二氧化碳用人为的方法除尽了。答案：(1)B(2)A(3)B(4)“绝不含CO2”是指此矿泉水在灌瓶前已经除去过CO2【例2】氮、磷、钾是植物生长的重要营养元素。洗衣粉中如加入由磷酸脱水制得的多磷酸的钠盐作配料，虽能在洗衣时起软化水的作用，但使用此类洗衣粉会造成水质污染。（1）硬水软化是指_____________________________________________________________。（2）若用肥皂（主要成分是硬脂酸钠）洗衣，水的硬度不能太大，其原因是______________。（3）说明含洗衣粉等生活污水排入河流造成水质污染的主要原因是__________________________________________________________________________________________________。思路解析：根据教材中硬水和软水的定义可知：硬水软化是降水中的钙、镁离子离子浓度；肥皂洗衣服时，若硬度太大，则会产生大量的硬脂酸钙沉淀，一方面使肥皂洗涤效率降低，另一方面沉淀也容易被衣物吸附而更难清洗。使用肥皂洗衣时，若水的硬度较大，造成肥皂的浪费；同时生成的不溶性物质易附着在衣物上，不易清洗干净。答案：（1）降低水中Ca2+、Mg2+的浓度（2）硬脂酸钠与Ca2+、Mg2+反应，可生成不溶性的硬脂酸钙、硬脂酸镁（3）水质富营养化，水藻等大量繁殖，有机物转化为无机物时，消耗大量氧气，使水中鱼类等大量死亡，水变脏变臭【例3】现代的农村一般一个村就有一个自来水厂，把河水或地下水经消毒灭菌和净化后送往各用户家中。其价格为0.40元/吨，有的用户认为：①水费太贵；②水流不急，有时不出水；③怀疑水质是否干净，于是自己开井，用功率为300瓦。效率为60％的水泵把井水抽到距水面高12米的水箱中去，用去电费为0.80元/度，请回答下列问题：（1）使用自己的井水每吨要支付多少电费？与用村集体的自来水比，哪个便宜（只计电费）？（2）自来水厂的水到用户家，造成流速慢、流量小的原因可能是哪些？（3）自来水厂对水的消毒灭菌，一般选用什么药物？（4）从自打井里取出的水发现有杂质（肉眼可见的颗粒）较多，在透明的玻璃杯中可以看到这种小颗粒在水中运动，这种小颗粒的运动是否是布朗运动？如果投入一些明矾粉末，一会儿水就变清了，试说明明矾净化水质的原理。思路解析：（1）把1吨水抽到12米高处需要做功W＝1.2×105J，水泵用电W′＝2.0×105J，合0.056度电，应支付电费：0.04元，使用自己的井水价格便宜。（2）自来水的流速慢，流量小的原因可能是水厂的水塔高度不够，也可能是自来水管的口径太小。（3）自来水厂对水的消毒灭菌，一般选用漂白粉。城市自来水厂选用氯气，新型净水剂有NaFeO4等。（4）布朗运动的小颗粒用肉眼是看不见的，所以这小颗粒的运动不是布朗运动。明矾是一种凝聚剂，溶解在水中的明矾水解后产生Al（OH）3胶体会吸附水中的杂质微粒，形成更大的颗粒，当它的重力大于自身所受到的浮力时就会下沉，这样水质就变清了。答案：（1）自己抽水便宜。（2）水塔高度不够或自来水管太细。（3）一般用漂白粉，现在也开始推广其他更好的消毒剂。（4）是布朗运动；加入明矾产生的氢氧化铝胶体具有较强的吸附作用，可吸附悬浮物等杂质。典题导考绿色通道：生活中的化学常识，首先需要从化学的角度来看待这些问题，同时结合题目中的信息进行分析判断。【典题变式1】水是一种重要的自然资源，与人类和生物生存、工农业生产等息息相关。下列有关水的认识或观点，你认为正确的是（）A.天然降水洁净清澈，提倡直接作为饮用水B.在淡水资源缺乏的海岛上，可考虑用蒸馏法从海水中提取淡水C.自来水中滴入硝酸银溶液有白色沉淀产生，盛开水的热水瓶底常沉积一层水垢，这些都说明自来水不是纯净物D.用化学方法能使水变成燃油（有机物）