水的硬度

水中溶有可溶性钙、镁、铁(II)等金属氯化物、硫酸盐或酸式碳酸盐的水,称为硬水。一般硬水可分为两类:(1)暂时硬水:水中主要含有金属(II)之酸式碳酸盐( HCO3- ),其金属(II)离子可由煮沸而除去。(2)永久硬水:水中主要含金属(II)之硫酸盐( SO42- )或氯化物,不会因煮沸而除去金属(II)离子。

肥皂为一种有机钠盐(RCOONa),包括亲油性基及亲水性基两部分,肥皂清洗功效,为亲油性基与油污相结合,而亲水性基与水分子相结合,使油污悬浮水中,以除去油污,当肥皂溶在硬水时会生成不溶性,灰白色之渣,使肥皂不起泡沫,降低肥皂洗涤效果。

Ca2+(aq)+2C17H35COO-(aq) → Ca(C17H35COO)2(s)

Mg2+(aq)+2C17H35COO-(aq) → Mg(C17H35COO)2(s)

硬水在锅炉加热时,会产生钙盐和镁盐的沉淀,形成锅垢,减低热的传导性,影响锅炉效率,妨碍水在管中流动,甚至造成爆炸。

(1)暂时硬水受热时:当钙离子和酸式碳酸根离子加热时,会产生碳酸钙的沉淀。

Ca2+(aq)+2HCO3-(aq) → CaCO3(s)+CO2(g)+H2O(l)

Mg2+(aq)+2HCO3-(aq) → MgCO3(s)+CO2(g)+H2O(l)

(2)永久硬水受热时:当硬水中含有硫酸根离子(SO42-)和钙离子(Ca2+)时,加热会产生硫酸钙的沉淀。

Ca2﹢(aq) + SO42-(aq) → CaSO4(s)

但因CaSO4微溶於水,故加热并无法将Ca2﹢完全沉淀,因此加热、煮沸并不能完全软化永久硬水。

硬度表示在溶液中含有钙、镁及铁(II)之离子之总浓度,为了计算方便,将溶液中钙、镁及铁(II)之离子之浓度皆当作CaCO3之浓度,若溶液中[Ca2﹢]+[Mg2﹢]+[Fe2﹢]为0.1M,如以硬度表示即含[CaCO3]= 0.1M。

硬度通常采用ppm(百万分数)单位,即每百万克溶液中含有CaCO3之克数,亦可为每升溶液所含CaCO3之毫克数。若溶液硬度为a ppm表示每升溶液含a mg之CaCO3。

硬水的软化

硬水软化法是将硬水中除去钙,镁与铁(II)离子的方法,通常包括下面几种方法:

(一)煮沸法:

暂时硬水可藉煮沸法除去水中之M2﹢离子,当加热暂时硬水,则可溶性碳酸氢盐生成碳酸盐沈淀。

Ca2﹢(aq)+2HCO3-(aq)→CaCO3(s)+CO2+H2O

(二)药品处理法:

(1)加入消石灰Ca(OH)2

Ca(HCO3)2+Ca(OH)2→2CaCO3(s)+2H2O

Mg(HCO3)2+Ca(OH)2→MgCO3(s)+CaCO3(s)+2H2O

(2)磷酸盐法:

3CaSO4+2Na3PO4→Ca(PO4)2(s)+3Na2SO4

(3)错离子剂法:

常用的试剂如EDTA(ethylenediamine tetraacetic acid 乙二胺四醋酸),与钙、镁等形成稳定错化合物而减低硬度。

(三)离子交换法:

(1)天然沸石交换法:将硬水通过泡沸石(NaAlSiO4)或阳离子交换树脂

Ca2+(aq)+2NaZ(s)→CaZ2(s)+2Na+(aq)

注:NaZ表天然泡沸石,实验式为NaAlSiO4 。

(2)阳离子交换树脂:

磺酸化聚苯乙烯的钠盐:R-SO3Na,其中R-SO3-代表磺酸化聚苯乙烯的阴离子

Ca2+(aq)+2R-SO3Na(s)→CaCO3(s) + ( R-SO3)2(s)+2Na+(aq)

注:R-SO3Na代表磺酸化聚苯乙烯的人工合成树脂。

检验水的硬度时,乃是利用EDTA与水样品中的钙、镁离子作用,生成可溶性的错离子化合物。滴定时先在水样品中加入微量的EBT(Eriochrome Black T)指示剂,当滴入足量的EDTA溶液时,则水中所有的钙、镁都成为错离子化合物,溶液由粉红色变为蓝色,此时即为滴定终点。代入下式计算硬水的总硬度:

总硬度(ppm CaCO3)=(A-C) ×B ÷mL水样 ×1000

式中:A=EDTA标准溶液滴入的mL数

B=EDTA标准溶液1mL相当CaCO3 mg数

C=空白试验所用EDTA标准溶液的mL数

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