高中化学：教学设计1：硬水软化

高中选修2化学与技术

L2硬水软化教学设计

一、软水和硬水：

水是日常生活中不可缺少的物质。天然水在长期与空气、岩石和土壤等长期

接触，溶解了许多无机盐、有机物等杂质，因而天然水一般均含有杂质。（水中

溶解的无机盐有钙和镁的酸式碳酸盐、碳酸盐、氯化物、硫酸盐、硝酸盐等）。

（提问）一般天然水里含有哪些离子？

根据水中溶有的钙镁离子的量多少，可以将水进行分类：硬水：含有较多

Ca2\Mg2+离子的水。（如：天然水等）软水：含有较少Ca2+、Mg?+离子的水。

（如：雨水，蒸储水等）

二、硬水的性质及分类：

1、硬水的通性：

★肥皂水制备：

将中性肥皂削成薄片，取10g溶于100mL80%的酒精中，静置数日后，倾

出上层清液，再用80%的酒精稀释10倍。

★天然水：

要先进行检验，如Ca2+、Mg2+离子含量较少，可适当溶进少量的可溶性钙、

镁盐，以使与蒸储水有明显区别。

水的硬度：以水中溶有Ca2\Mg2+离子的多少来衡量。

水的硬度是天然水固有的内在特征，不存在没有硬度的天然水。

★国际上对水的硬度的表示方法很不统一。我国目前以“德国度”表示。该方

法是：将水中的Ca2+、Mg2+离子都看作Ca2+离子，并将其质量折算成CaO的质

量，1L水中含有10mgCaO称为1度。

0-4度很软的水

4-8度软水

8-16度中硬水

16-30度硬水

30以上最硬水

为保证人们身体健康，我国饮用水的硬度统一规定为不超过25度。

2.硬水的分类：

由引起硬水的原因不同，硬水可分为：

暂时硬水：由钙和镁的碳酸氢盐所引起的硬水硬水

永久硬水：由钙的镁的硫酸盐、氯化物等引起的硬水。

★天然水大多同时具有暂时硬度和永久硬度.因此，一般所说水的硬度是泛指

上述两种硬度的总和。

3.暂时硬水的性质：

由于暂时硬水是由碳酸氢盐所引起的，因而当暂时硬水受热时会分解而得到

相应的沉淀如：

Ca(HCO3)2==CaCO3；+CO2T+H2O

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

但由于氢氧化镁的溶解性比碳酸镁的溶解性要小得多，因而继续加热时，碳

酸镁要转化为氢氧化镁：

MgCO3+2H2O==Mg(OH)2；+CO2T

因而长期加热暂时硬水得到的水垢是碳酸钙和氢氧化镁的混合物。利用这个

性质可区别暂时硬水与永久硬水。

三、硬水的软化：

概念：降低水中钙、镁离子的含量，就叫做硬水的软化。

软化硬水常用有方法：

(-)加热煮沸法：只能降低水的暂时硬度，不能降低永久硬度。

(二)药剂软化法：(石灰纯碱法)

利用加入药剂的方法来降低水中钙、镁离子的含量。

(三)离子交换法：

离子交换剂包括天然或或人造沸石、磺化煤和离子交换树脂等物质。

磺化煤使硬水软化的原理：

当硬水通过时，硬水里的钙离子和镁离子与磺化煤的钠离子发生离子交换，

生成CaR2和MgR2,因而实现溶液中的钙、镁离子含量的降低，硬水软化。其

方程式为：

2++

2NaR+Ca==CaR2+2Na

2++

2NaR+Mg==MgR2+2Na

硬水又分为暂时硬水和永久硬水。暂时硬水的硬度是由碳酸氢钙与碳酸氢镁

引起的，经煮沸后可被去掉，这种硬度又叫碳酸盐硬度。永久硬水的硬度是由硫

酸钙和硫酸镁等盐类物质引起的，经煮沸后不能去除。以上两种硬度合称为总硬

度。

当水滴在大气中凝聚时，会溶解空气中的二氧化碳形成碳酸。碳酸最终随雨

水落到地面上，然后渗过土壤到达岩石层，溶解石灰（碳酸钙和碳酸镁）产生暂

时硬水。一些地区的溶洞和溶洞附近的硬水就是这样形成的。

硬水有许多缺点：1.和肥皂反应时产生不溶性的沉淀，降低洗涤效果。（利

用这点也可以区分硬水和软水）

2.工业上，钙盐镁盐的沉淀会造成锅垢，妨碍热传导，严重时还会导致锅炉

爆炸。由于硬水问题，工业上每年因设备、管线的维修和更换要耗资数千万元。

3.硬水的饮用还会对人体健康与日常生活造成一定的影响。没有经常饮硬水

的人偶尔饮硬水，会造成肠胃功能紊乱，即所谓的“水土不服”；用硬水烹调鱼肉、

蔬菜，会因不易煮熟而破坏或降低食物的营养价值；用硬水泡茶会改变茶的色香

味而降低其饮用价值；用硬水做豆腐不仅会使产量降低、而且影响豆腐的营养成

分。

那么硬水毫无是处了吗？不对，否则怎么会有那么多的人买矿泉水喝呢。

原来钙和镁都是生命必需元素中的宏量金属元素。科学家和医学家们调查发现，

人的某些心血管疾病，如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，水质硬度低，死亡率反而高。其实，长期饮用过硬或者过软的水都不利与

人体健康。我国规定：饮用水的硬度不得超过25度。

硬水经过处理后可以转化为软水。下面介绍硬水软化的三种主要方法：

1.煮沸法（只适用于暂时硬水）

煮沸暂时硬水时的反应：

Ca（HCO3）2=CaCO31+H2O+CO2T

Mg（HCO3）2=MgCO3；+H2O+CO2T

由于CaC03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)21+C02T

由此可见水垢的主要成分为CaCO3和Mg(OH)2

2.石灰——纯碱法(工业用)

在这种方法中，暂时硬度加入石灰就可以完全消除,HC03-都被转化成CO32O

而镁的永久硬度在石灰的作用下会转化为等物质的量的钙的硬度，最后被去除。

反应过程中，镁都是以氢氧化镁的形式沉淀，而钙都是以碳酸钙的形式沉淀。

Ca2+(aq)--石灰-苏打法-->CaCCh(s)

Mg2+(叫)--石灰-苏打法-->Mg(0H)2(s)

3.离子交换法

这种方法中用到的离子交换剂，有无机和有机两种。无机离子交换剂，如沸

石等；有机离子交换剂包括：碳质离子交换剂一磺化酶，阴阳离子交换树脂等。

而且一般的离子交换剂在失效后还可以再生。

离子交换软化水的原理

水的离子交换软化过程是硬性矿物质，主要是钙和镁被钠交换或取代的过

程。这些矿物质性质上是离子的(常称作离子化杂质)，这意味着它们带有电荷,

由于同种电荷相斥，异种电荷相吸，因此有可能产生离子交换。

水中的钙、镁离子实际上是溶解的矿石。当水流经岩层和地壤时溶解了钙和

镁的沉积物，这种溶解的矿物最终进入到地下水层。当水从地下水层被抽到表面

时，水中含有溶解的硬性矿物质，这种水称为硬水。

软水器使溶解在水中的钙镁硬性矿物质被软化剂树脂上的软性矿物质钠交

换。所有这三种矿物都是叫做阳离子的带正电荷离子。在适当的压力容器中，含

硬性矿物的水通过离子交换树脂可发生离子交换反应。在现代的软水器中装有千

百万颗微细的聚苯乙烯/二乙烯苯塑料球，所有小球都含有许多吸引正离子的负

电荷交换位置。当树脂处在再生状态时，这些负电荷交换位置为带正电荷的钠离

子占据。当钙和镁经过树脂贮槽时，它们与树脂小球接触，从交换位置上取代钠

离子，从而被除去。

鉴于如下两个理由，离子交换是可能的：

1.所有的阳离子并非都有相同强度的正电荷；

2.树脂优先结合带较强电荷的阳离子，钙和镁离子的电荷比钠最离子强，

取代钠阳离子，然后向下通过树脂床，流出软水器，这样软水器就送出了“软”

水。

离子交换树脂是一类具有离子交换功能的高分子材料。在溶液中它能将本身

的离子与溶液中的同号离子进行交换。按交换基团性质的不同，离子交换树脂可

分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两类。

阳离子交换树脂大都含有磺酸基(一SChH)、竣基(一COOH)或苯酚基

(―C6H40H)等酸性基团，其中的氢离子能与溶液中的金属离子或其他阳离子

进行交换。例如苯乙烯和二乙烯苯的高聚物经磺化处理得到强酸性阳离子交换树

脂，其结构式可简单表示为R—S03H,式中R代表树脂母体，其交换原理为

2++

2R—SO3H+Ca=(R—S03)2Ca+2H

这也是硬水软化的原理。

阴离子交换树脂含有季胺基［-N(CH3)30H］、胺基(一NH2)或亚胺基

(_NR/H)等碱性基团。它们在水中能生成0H-离子，可与各种阴离子起交换

作用，其交换原理为

R—N(CH3)3OH+C1=R—N(CH3)3CI+OH-

由于离子交换作用是可逆的，因此用过的离子交换树脂一般用适当浓度的无

机酸或碱进行洗涤，可恢复到原状态而重复使用，这一过程称为再生。阳离子交

换树脂可用稀盐酸、稀硫酸等溶液淋洗；阴离子交换树脂可用氢氧化钠等溶液处

理，进行再生。

离子交换树脂的用途很广，主要用于分离和提纯。例如用于硬水软化和制取

去离子水、回收工业废水中的金属、分离稀有金属和贵金属、分离和提纯抗生素

等。

10硬水及其软化

一、软水和硬水

水是日常生活和工农业生产不可缺少的物质。水质的好坏对生产和生活影响

很大。天然水跟空气、岩石和土壤等长期接触，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。水里溶解的无机盐有钙和镁的酸式碳酸盐、碳酸

盐、氯化物、硫酸盐、硝酸盐，等等。也就是说，天然水里一般含有Ca2+、Mg2+

等阳离子和

这些离子的种类和数量有所不同。例如，溶有二氧化碳的水，遇到主要成分

是碳酸钙的岩石时，会使碳酸钙逐渐变成可溶性的碳酸氢钙:

CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

有的天然水里含Ca2+和Mg2+比较多，在这种水里加入肥皂水，就会发生沉

淀。

［实验2-5］用两个试管分别取蒸储水、天然水5〜6mL,各注入少量肥皂水,

振荡。观察发生的现象。

通过实验，我们可以看到盛有蒸储水的试管里泡沫很多，没有沉淀产生。在

盛有天然水的试管里泡沫较少，并出现絮状沉淀。这是因为天然水里含有Ca2+

或Mg2+,肥皂跟Ca2+或Mg2+起反应以后，生成了不溶于水的物质①。

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

和Mg?+的水，叫做软水。

如果水的硬度②是由碳酸氢钙或碳酸氢镁所引起的，这种硬度叫做暂时硬

度。具有暂时硬度的水经过煮沸以后，水里所含的碳酸氢钙就分解而生成不溶性

的碳酸钙：

Ca(HCO3)2=CaCO31+CO2t+H2O

水里所含的碳酸氢镁先形成难溶于水的碳酸镁沉淀。

Mg(HCO3)2=MgCO3；+CO2t+H2O

碳酸镁虽然难溶于水，但它仍有少量能溶解在水里(在18℃时，它的溶解

度为0.011g,相当于HOmg/L)。因此，当继续加热煮沸时，碳酸镁就跟水发生

反应，生成了更难溶的氢氧化镁(在18℃时，它的溶解度为0.00084g,相当于

8.4mg/L)。这样,水里溶解的Ca2+和Mg?+就转变成为碳酸钙和氢氧化镁的沉淀,

从水里析出，水的硬度就可以降低，从而使硬度高的水得到软化。

如果水的硬度是由钙和镁的硫酸盐或氯化物等所引起的，这种硬度叫做永久

硬度。永久硬度不能用加热的方法软化。天然水大多同时具有暂时硬度和永久硬

度，因此，一般所说水的硬度是泛指上述两种硬度的总和。

二、硬水的软化

水的硬度高对生活和生产都有危害。洗涤用水如果硬度太高，不仅浪费肥皂,

而且衣物也不易洗干净。长期饮用硬度很高或硬度过低的水，都不利于人体的健

康。锅炉用水硬度太高，特别是暂时硬度太高，十分有害。因为经过长期烧煮后，

水里的钙盐和镁盐会在锅炉内结成锅垢，使锅炉内的金属管道的导热能力大大降

低，这不但浪费燃料，而且会使管道局部过热，当超过金属允许的温度时，锅炉

管道将变形或损毁，严重时会引起锅炉爆炸事故。很多工业部门，如纺织、印染、

造纸、化工等，都要求用软水。因此，对天然水进行处理，以降低或消除它的硬

度是很重要的。

硬水软化的方法通常有药剂软化法和离子交换法等。这里只简单介绍离子交

换法。离子交换法是用离子交换剂①软化水的一种方法。

在工业上常用磺化煤（NaR）做离子交换剂。磺化煤是黑色颗粒状物质，它

不溶于酸和碱。这种物质的阳离子会跟溶液里其他物质的阳离子发生离子交换作

用。

如图2-6所示，在离子交换柱里装有磺化煤。把硬水从离子交换柱的上口注

入，使硬水慢慢地流经磺化煤。当硬水通过磺化煤时，硬水里的Ca2+和Mg2+

跟磺化煤的Na+起离子交换作用，因而使硬水得到软化，反应可以表示如下：

2++

2NaR+Ca=CaR2+2Na

2++

2NaR+Mg=MgR2+2Na

［实验2-6］把实验2-5所用的天然水经离子交换剂软化以后，用试管取5〜

6mL,注入少量肥皂水，振荡。

通过实验，我们可以看到，硬水软化以后，加入肥皂水振荡时，泡沫很多，

就没有沉淀产生了。

磺化煤的Na+全部为Ca2+和Mg2+所代替后，磺化煤就失去了软化硬水的能

力。但是用质量分数为8%〜10%氯化钠溶液浸泡，CaR2和MgR2跟Na+就又会

发生交换作用，重新生成NaR,从而又恢复了磺化煤软化硬水的能力，这个过程

叫做再生。可以表示如下：

+2+

CaR2+2Na=2NaR+Ca

这种软化硬水的方法具有质量高，设备简单，占地面积小，操作方便等优点,

因此，目前使用比较普遍。

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

反应生成的Ca（Cl8H35。2）2［或Mg（Cl8H35。2）2］是不溶于水的物质。

②水的硬度常用一种规定的标准来衡量。通常把1L水里含有lOmgCaO（或

相当于lOmgCaO）称为1度（以1。表示）。水的硬度在8。以下的称为软水；在

8。以上的称为硬水。硬度大于30。的是最硬水。

①离子交换剂包括天然或人造沸石、磺化煤和离子交换树脂等物质。

煮不烂豆子的水

这是一个关于硬水和软水来历的故事。

美国南北战争期间，有一队北方士兵来到一个泉水淙淙的村庄。因为时间已

近中午，他们便就地架起行军锅，挑来了附近的山泉水，烧起饭菜来。就餐时，

当他们舀起煮熟的豆子放在嘴里咀嚼时，士兵们发现，这些豆子比平时硬得多，

他们责怪炊事员没把豆子煮透。后来，炊事员把豆子又煮了好久，但是吃起来还

是一样的硬。

奇怪，豆子还是原来的豆子，锅还是原来的锅，难道问题出在水上面？

的确如此。原来就是水在作怪。

从此，人们就把这种特殊的水称为“硬水”，把其他的水则称为“软水”。

1.硬水：含有钙盐和镁盐的天然水。通常，地下水如井水、泉水含盐量较大,

地面水如河水、湖水含盐量较小。在硬水中，钙、镁可以以碳酸盐、碳酸氢盐、

硫酸盐、氯化物和硝酸盐等形式存在。当硬水中钙和镁主要以碳酸氢盐，如

Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2形式存在时，称为暂时硬水，当这种硬水加热煮沸时，

碳酸氢盐会分解成碳酸盐而沉淀除去如果硬水中钙和镁主要以硫酸盐、硝酸盐和

氯化物等形式存在，则称为永久硬水，它们不能用煮沸的方法除去。

硬水中的钙盐和镁盐能与肥皂（硬脂酸钠）作用，生成不溶性的硬脂酸盐，降

低肥皂的去污能力。如果锅炉内使用硬水，当加热时钙盐和镁盐会在锅炉内壁上

结成水垢。降低锅炉的热导率，增加能耗，甚至缩短锅炉的使用寿命，有时还会

堵塞管道。因此，锅炉用水必须经过软化处理（见）。

2.软水：只含少量可溶性钙盐和镁盐的天然水，或是经过软化处理的硬水。

天然软水一般指江水、河水、湖（淡水湖）水。经软化处理的硬水指钙盐和镁盐含

量降为1.0〜50毫克/升后得到的软化水。虽然煮沸就可以将暂