人教版高中化学选修2第7课时《天然水的净化》.docx

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人教版高中化学选修2第7课时《天然水的净化》

第7课时 天然水的净化

学案

【学习目标】

1.了解自来水的净化原理。

2.了解净水的常用方法——混凝法和化学软化法。

3.知道纯水与天然水、硬水与软水的区别，学会简单、常用的检验硬水与软水的方法。

4.了解硬水软化的常用方法——加热法、药剂法和离子交换法。

【重点难点】

硬水软化的常用方法——加热法、药剂法和离子交换法

课前预习

【情景材料】如何获得在人们的生活和生产中可以使用的洁净的水，本课题从三个角度度介洁净水的获取方法，即从天然淡水、从生产或生活污水及从海水中获取洁净水。

介绍水净化的化学原理、方法和简要流程。

例如，天然水的净化主要介绍了混化学软化法；污水处理介绍了中和和法和沉沉淀法等。

【预习内容】

根据教材有关内容填写下列空白：

一、水处理方法的选择

水处理方法的选择，通常要考虑以下几个方面：

1.和的要求。

2.选择有效的和。

3.考虑必要的，进行质量、数量及等方面的综合评价。

二、天然水的净化

1.混凝法除水中的悬浮物和胶体

（1）定义：

混凝法就是在天然水中加入，使，然后过滤除去的方法。

（2）常用的混凝剂

在生活中常用作混凝剂，在工业生产中还常用、、

、等作混凝剂。

（3）明矾的净水原理

①写出明矾发生电离和水解的方程式、。

②Al（OH）3胶体粒子带电，通过作用，破坏了天然水中胶体杂质的，使胶体杂质，同时，Al（OH）3还能吸附一些一同聚沉，从而起到了净水作用。

2.杀菌

（1）用混凝剂可以除去天然水中的不溶性杂质，若要作为生活用水，还要。

流程如下：

→→。

（2）常用的杀菌剂有：

、、等。

3.化学软化法

（1）水的硬度

①软水和硬水：

含有叫做硬水；含有叫做软水。

②硬度的划分

a.暂时硬度：

水的硬度是由所引起的，这种硬度叫暂时硬度。

b.永久硬度：

水的硬度是等引起的，这种硬度叫永久硬度。

（2）硬水的软化方法

硬水软化的方法通常用、和等。

①具有暂时硬度的水可以用的方法进行软化，用化学反应方程式表示为：

、和。

②具有永久硬度的水可采用和进行软化。

预习内容答案

一、1.水质数量2.方法设备成本核算经济实用

二、1.混凝剂细小的悬浮物和胶体聚集成较大的颗粒而沉淀明矾硫酸铝、聚合铝、硫酸亚铁、硫酸铁KAl（SO4）2=K＋＋Al3＋＋2SO42－　Al3＋＋3H2O

Al（OH）3＋3H＋

正电性吸引稳定性聚沉悬浮物

2.杀菌消毒混凝沉淀过滤杀菌氯气二氧化氯臭氧

3.较多Ca2＋、Mg2＋的水少量的Ca2＋、Mg2＋或不含Ca2＋、Mg2＋的水Ca（HCO3）2或Mg（HCO3）2

由钙和镁的硫酸盐或氯化物加热法、药剂法和离子交换法加热

Ca（HCO3）2

CaCO3↓＋CO2↑＋H2OMg（HCO3）2

MgCO3↓＋CO2↑＋H2O

MgCO3＋H2O

Mg（OH）2↓＋CO2↑药剂法离子交换法

堂中互动

【问题探究1】天然水中含有细菌，其主要成分是蛋白质。

请你举出几种在家中能杀灭水中细菌的简单方法。

城市自来水以天然水为水源，你能简要地说明获取自来水的过程吗？

从饮用水消毒剂和混凝剂的使用来看，请你思考：

在采取某种化学方法处理生活中的问题时，一般需要考虑哪些问题？

【教师点拨】杀菌主要是是蛋白质变性，加热或强氧化性；获取自来水主要是让学生将课本介绍形成简单的流程；生活用水主要考查学生对饮用水的知识。

分析解答:

加热煮沸、在水中通入臭氧、在水中加入84消毒液等。

天然水一沉降过滤一加入混凝剂一沉降过滤一加入消毒剂一自来水。

可以从两个方面考虑，首先是所采用的有效的化学方法，如反应原理适用、添加试剂的性质、顺序和量等。

其次，还要考虑应用化学方法所产生的的经济和社会等方面的问题，主要指成本核算、对生态环境和人体健康是否有直接影响或是有潜在的、长远的影响等。

【即学即练1】某综合实践活动小组到自来水厂进行参观，了解到源水处理成自来水的工艺流程示意图如下：

（1）源水中含Ca2+、Mg2+、HCO3—、Cl—等，加入CaO后生成Ca（OH）2，进而发生若干个复分解反应，试写出其中任意一个反应的离子方程式：

________________________________。

（2）加入凝聚剂可以除去其中的悬浮固体颗粒，该过程是______________（填序号）。

①只有物理过程，无化学过程

②只有化学过程，无物理过程

③既有化学过程又有物理过程

FeSO4·7H2O是常用的凝聚剂，加入后最终生成红褐色胶状沉淀，则这种沉淀是___________。

（3）通入二氧化碳的目的是________________和__________________。

（4）气体A的作用是__________________。

（5）下列物质中，可以作为气体A的代替品_____________（填序号）。

①ClO2   ②浓氨水    ③SO2    ④浓硫酸

1.

（1）HCO3－+OH－=CO32－+H2O[Ca2＋+2HCO3－+2OH－=CaCO3↓+CO32－+2H2O或Ca2++2HCO3－+2OH-=CaCO3↓+CO32－+2H2O或Mg2++2OH—=Mg（OH）2↓]

（2）③Fe（OH）3（3）除去钙离子调节溶液酸度（4）杀菌消毒（5）①

【解析】由题意知：

含有Ca2＋、Mg2＋、HCO3－、Cl－的源水中加入CaO后发生的复分解反应有：

HCO3－+OH－=CO32－+H2O、Ca2＋+2HCO3－+2OH－=CaCO3↓+CO32－+2H2O、Ca2++2HCO3－+2OH-=CaCO3↓+CO32－+2H2O、Mg2++2OH—=Mg（OH）2↓，任意写出一个即可。

加入凝聚剂除去其中的悬浮固体颗粒，该过程既有胶体的吸附作用，也发生了化学反应，所以既有化学过程又有物理过程。

FeSO4·7H2O加入后生成红褐色Fe（OH）3胶状沉淀。

通入二氧化碳的目的是除去钙离子并调节溶液酸度。

气体A应是氯气，其作用是杀菌消毒，所以可以用具有强氧化性的ClO2代替。

【问题探究2】具有永久硬度的水通常采用药剂法和离子交换法进行软化。

那么药剂法软化硬水常使用何种药剂？

药剂法软化硬水的原理是什么？

写出有关反应的化学方程式。

【教师点拨】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，达到软化水的目的。

分析解答:

常用的化学药剂有纯碱、生石灰等。

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。

有关反应方程式如下：

Ca（HCO3）2＋Ca（OH）2=2CaCO3↓＋2H2O

Mg（HCO3）2＋2Ca（OH）2=2CaCO3↓＋Mg（OH）2↓＋2H2O

Ca（HCO3）2＋2NaOH=CaCO3↓＋Na2CO3＋2H2O

Mg（HCO3）2＋2NaOH=Mg（OH）2↓＋Na2CO3＋2H2O

Ca2＋＋CO32－=CaCO3↓

【即学即练2】水的硬度常用一种规定的标准来衡量。

通常把1L的水中含10mgCaO（或相当于10mgCaO的物质）称为1°。

Ca2＋、Mg2＋的硬度之和称为总硬度。

总硬度在8°以上的水称为硬水。

例如某水样分析含Ca2＋44mg/L，含Mg2＋18mg/L，则通过Ca2＋～CaO和Mg2＋～CaO的关系式，计算出1L这种水相当于含103.6mgCaO，即总硬度为10.4°。

现在我区某地用水所含Ca2＋、Mg2＋、HCO3－物质的量浓度如下：

c（Ca2＋）＝1×10－3mol/L、c（Mg2＋）＝5×10－4mol/L、c（HCO3－）＝8×10－4mol/L。

通过计算回答：

（1）这种用水的总硬度为________。

（2）要使这种硬水软化，每1m3的水中，应加入________g消石灰，________g纯碱。

2.

（1）8.4°　

（2）66.6　116.6

【解析】　题示信息给出了硬度及其计算方法等新知识，既给出知识，又教会方法，关键是分析1L水中所含CaO或相当于CaO的物质的质量。

（1）设水样的体积为1L，则

n（Ca2＋）＝1×10－3mol，

n（Mg2＋）＝5×10－4mol，

n（HCO3－）＝8×10－4mol，

由Ca2＋～CaO和Mg2＋～CaO关系式知，相当于该水样中含CaO：

1×10－3＋5×10－4＝1.5×10－3（mol），其质量为1.5×10－3×56×103＝84（mg）。

所以水的总硬度为84/10＝8.4°。

（2）1m3水样中n（Ca2＋）＝1mol，n（Mg2＋）＝0.5mol，n（HCO3－）＝0.8mol，可将溶质看成Ca（HCO3）2：

0.4mol（暂时硬度）；Ca2＋：

0.6mol和Mg2＋：

0.5mol（永久硬度）。

加入消石灰时，发生如下反应：

Ca（HCO3）2＋Ca（OH）2===2CaCO3↓＋2H2O

0．4mol0.4mol

Mg2＋　＋　Ca（OH）2===Mg（OH）2↓＋Ca2＋

0．5mol0.5mol0.5mol

故共需Ca（OH）2质量为（0.4＋0.5）mol×74g·mol－1＝66.6g。

再加入Na2CO3时，发生如下反应：

Ca2＋　　＋　　CO32－　　===CaCO3↓

（0.6＋0.5）mol（0.6＋0.5）mol

故共需Na2CO3质量为（0.6＋0.5）mol×106g·mol－1＝116.6g。

【问题探究3】除去水的暂时硬度和永久硬度均可以采用离子交换法，其原理如何？

何谓离子交换树脂的再生？

【教师点拨】阅读教材P27页熟悉其原理，可以看成是一个相互交换离子的离子反应。

交换树脂的再生可以看成一个逆过程。

分析解答：

原理如下：

离子交换法是用离子交换剂软化水的方法。

离子交换剂中的阳离子与水中的Ca2＋、Mg2＋发生离子交换作用，使水软化。

离子交换树脂使用一段时间后，由NaR型转化为CaR2（或MgR2）型后，就失去了交换能力。

可把失效后的离子交换树脂置于5%～8%的食盐水中，便可发生逆向交换反应，重新生成NaR，恢复交换能力，这个过程叫做再生：

CaR2＋2Na＋=2NaR＋Ca2＋。

【即学即练3】氢型阳离子交换树脂的主要反应可表示为：

2HR＋M2＋===MR2十2H＋。

若将100mL只含Ca2＋的水经过此阳离子交换柱后，流出液用0.1000mol·L－1NaOH溶液中和，用去NaOH溶液20.00mL。

则此100mL水中含Ca2＋（　　）

A.160.00mg　　　B.80.00mgC.40.00mgD.120.00mg

3.C【解析】本题可以采用逆推法求解，即根据用去NaOH溶液的体积求出溶液中H＋的物质的量，然后再进一步求出Ca2＋的质量。

练案

A组（课堂反馈满分50分）

一、选择题（每小题5分，共35分）

1.不属于净化天然水的混凝剂的是（　　）

A.硫酸铝　　　B.硫酸亚铁C.硫酸镁D.聚合铝

1.C【解析】混凝剂利用其中金属阳离子水解产生的氢氧化物胶体来净水，Fe2＋水解效果已不好，Mg2＋水解更弱，MgSO4不能作混凝剂。

2.锅炉水垢的主要成分是（　　）

A．CaCO3，MgCO3　　　　　　　　B．CaSO4，MgCO3

C．CaCO3，Mg（OH）2D．CaSO4，CaCO3

2.C【解析】　锅炉烧水主要是将水的暂时硬度降低，这样使得发生反应：

Ca（HCO3）2

CaCO3↓＋CO2↑＋H2O

Mg（HCO3）2

MgCO3↓＋CO2↑＋H2O

又因为煮沸时分解形成的碳酸镁在继续受热的情况下生成更难溶解的Mg（OH）2，即发生反应：

MgCO3＋H2O

Mg（OH）2↓＋CO2↑，因此锅炉水垢的主要成分是CaCO3，Mg（OH）2。

3.下列方法适宜软化永久硬水的是（　　）

A.离子交换法B.长时间加热C.加入硫酸钠D.加入硝酸银

3.A【解析】离子交换法适宜软化永久硬水。

4.向天然水中加入下列物质的溶液时，无沉淀产生的是（　　）

A．肥皂B．熟石灰C.纯碱D.小苏打

4.D【解析】　小苏打为NaHCO3，与Ca2＋和Mg2＋不能形成沉淀，肥皂中有效成分与Ca2＋和Mg2＋可以生成硬脂酸钙和硬脂酸镁沉淀。

5.下列说法正确的是（　　）

A.软水中一定不含Ca2＋、Mg2＋离子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

5.C【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不对；当然不含Ca2＋、Mg2＋的水一定是软水，煮沸的方法是通过Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2的分解以及MgCO3转变为Mg（OH）2的过程，故C对；煮沸能使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高是由于永久硬度造成的，故B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不对。

6.用下列方法除去含Ca2＋、Mg2＋、Cl－、HCO3－的硬水中的致硬离子，所得到的水含离子的浓度最小的是（　　）

A.蒸馏B.加热煮沸C.加Ca（OH）2与Na2CO3D.离子交换法

6.A【解析】通过蒸馏可得到非常纯的蒸馏水，几乎不含任何杂质离子，所以A是正确的。

加热煮沸只能降低由Ca2＋、Mg2＋和HCO3－引起的水的硬度，不能完全除去Ca2＋和Mg2＋等，加入Ca（OH）2与Na2CO3或采用离子交换法虽然可以降低Ca2＋、Mg2＋的浓度，但不可能完全除去它们，并且在除去Ca2＋、Mg2＋的同时，又增加了Na＋。

7.1L水中溶有Mg（HCO3）2和CaCl2，其浓度分别是bmol/L和2bmol/L，现有一种试剂（适量），把Ca2＋、Mg2＋除去，这种试剂最好选用（　　）

A.Ca（OH）2B.NaOHC.NaHCO3D.Na2CO3

7.B【解析】利用NaOH发生反应为：

Mg（HCO3）2＋4NaOH===Mg（OH）2↓＋2Na2CO3＋2H2O，CaCl2＋Na2CO3===CaCO3↓＋2NaCl。

二、填空题（共15分）

8.（6分）天然水里一般含有Ca2＋、Mg2＋等多种离子。

人们把含有较多量Ca2＋、Mg2＋的水叫做硬水，含有较少量或不含Ca2＋、Mg2＋的水叫做软水；降低水中Ca2＋、Mg2＋含量的过程叫做硬水软化。

如果硬度太高（含Ca2＋、Mg2＋的浓度太大）会给生产、生活带来很多不利，因此硬水的软化是水处理的重要方面之一。

离子交换法常用于工业锅炉用水的软化。

离子交换剂多种多样，磺化煤（NaR）就是一种阳离子交换剂。

（1）写出用磺化煤软化含Ca2＋、Mg2＋浓度较高的硬水的化学方程式______________________________________。

（2）用药剂软化法软化过的水总是含有一定浓度的Ca2＋、Mg2＋，其原因是____________________________________________________________________________。

（3）参考烧水后的锅或壶中结有水垢的现象分析说明，如果用硬度太高的水作锅炉用水，主要的不利因素是___________________________________________________________。

8.

（2）CaCO3、Mg（OH）2在水中都有一定的溶解能力。

（3）水垢是热的不良导体。

【答案】

（1）2NaR＋Ca2＋===CaR2＋2Na＋、2NaR＋Mg2＋===MgR2＋2Na＋

（2）CaCO3、Mg（OH）2虽然溶解度较小，但不是绝对不溶

（3）锅炉结垢，热传递效率下降，浪费能源，甚至引起锅炉爆炸

9.（9分）永久硬水中含有MgCl2和CaCl2，请你用Ca（OH）2溶液、NaOH溶液、饱和Na2CO3溶液、肥皂水，设计出软化水的实验方案。

实验步骤

现象

有关反应式

9.

实验步骤

现象

有关反应式

加入适量的Ca（OH）2溶液、搅拌后静置

有沉淀析出

MgCl2＋Ca（OH）2===Mg（OH）2↓＋CaCl2

加入适量的饱和Na2CO3溶液，搅拌后静置

有沉淀析出

CaCl2＋Na2CO3===

CaCO3↓＋2NaCl

将过滤出来的水加入肥皂水，搅拌

如果有大量泡沫，证明是软水

B组（课后拓展）

1.洪涝地区欲将江河水转化为可饮用的水。

请排列下列合理的处理顺序________。

①化学沉降　②消毒杀菌　③自然沉降　④加热煮沸

（1）铁酸钠（Na2FeO4）是水处理过程中使用的一种新型净水剂，它的氧化性比高锰酸钾还强，本身在水处理过程中还原成Fe3＋，同时达到①②两目的。

请解释其原因是_____________________________________________________。

（2）加热煮沸的目的是为了___________________________，最后使之转化为____________沉淀。

1.③①②④

（1）①铁酸钠的强氧化性使之能杀菌消毒；②被还原生成的Fe3＋发生水解生成Fe（OH）3（胶体），能吸附水中的悬浮物而起到净水的作用

（2）降低水中的暂时硬度　Mg（OH）2、CaCO3

2.（2010年全国理综）水是一种重要的自然资源，是人类赖以生存不可缺少的物质。

水质优劣直接影响人体健康。

请回答下列问题：

（1）天然水中溶解的气体主要有___________、__________________；

（2）天然水在净化处理过程中加入的混凝剂可以是_________________（填其中任何两种）其净水作用的原理是_______________________________；

（3）水的净化与软化的区别是________________________；

（4）硬度为1°的水是指每升水含10mgCaO或与之相当的物质（如7.1mgMgO）。

若某天然水中c（Ca2+）=1.2×10-3mol·L-1,c（Mg2+）=6×10-4mol·L-1，则此水的硬度为__________________；

（5）若（4）中的天然水还含有c（HCO3—）=8×10-4mol·L-1，现要软化10m3这种天然水，则需先加入Ca（OH）2______________g，后加入Na2CO3______________g。

2.

（1）O2  CO2（或氮气）

（2）明矾、硫酸铝、硫酸铁、硫酸亚铁铝盐或铁盐在水中发生水解生成相应氢氧化物胶体，它可吸附天然水中悬浮物并破坏天然水中的其他带异电的胶体，使其聚沉，达到净化目的

（3）水的净化是用混凝剂（如明矾等）将水中胶体及悬浮物沉淀下来，而水的软化是除去水中的钙离子和镁离子

（4）10°

（5）740 1484

【解析】

（1）天然水中溶解的气体来自空气，所以主要是O2、CO2（或N2）

（2）净化处理水的原理就是利用铝盐、铁盐水解产生的胶体来吸附天然水中的悬浮物，同时也可以破坏其他带异电的胶体，使其聚沉而达净化目的，所以常用的混凝剂有明矾、硫酸铝、硫酸铁、硫酸亚铁等。

（3）软化水的目的是除去水中的钙离子和镁离子，降低水的硬度，而净化水的目的是使水中的悬浮物和其他杂质沉淀下来。

（4）根据题给水的硬度的定义可计算出水的硬度：

水的硬度＝

＋

＝10°

（5）此问考查的知识点是硬水软化的方法之一：

石灰－纯碱法、发生反应的离子方程式有：

①HCO3－＋OH－===CO32－＋H2O②Mg2＋＋2OH－===Mg（OH）2↓

③Ca2＋＋CO32－===CaCO3↓

由题意知　n（HCO3—）＝8×10－4mol/L×10m3×103L/m3＝8mol

n（Mg2＋）＝6×10－4mol/L×10m3×103L/m3＝6mol

n（Ca2＋）＝1.2×10－3mol/L×10m3×103L/m3＝12mol

由方程式①②知共需要OH－的物质的量为n（OH－）＝8mol＋12mol＝20mol，所以m[Ca（OH）2]＝

×74g/mol＝740g

加入Ca（OH）2后溶液中共含有Ca2＋的物质的量为n（Ca2＋）＝12mol＋10mol＝22mol

由方程式③知共需n（CO32－）总＝22mol，而方程式①提供的CO32－的物质的量为n（CO32－）1＝8mol，所以还需要加入的CO32－的物质的量为n（CO32－）2＝22mol－8mol＝14mol

所以m（Na2CO3）＝14mol×106g/mol＝1484g。

3.水是一种重要的自然资源，是人类赖以生存不可缺少的物质，水质优劣直接影响人体健康。

请回答下列问题：

（1）某贫困山区，为了寻找合适的饮用水，对山上的泉水进行了分析化验，结果显示水中主要含钙离子、镁离子、氯离子和硫酸根离子。

则该硬水属于（填“暂时”、“永久”）硬度，若要除去Ca2＋、Mg2＋，可以往水中加入石灰和纯碱，试剂加入时先加　　　　　后加　　　　　　　　。

（2）我国规定饮用水的硬度不能超过25°。

硬度的表示方法是：

将水中的Ca2+和Mg2+都看作Ca2+，并将其折算成CaO的质量，通常把1升水中含有10mgCaO称为1度。

某化学实验小组对本地区地下水的硬度进行检测，实验过程如下：

实验中涉及的部分反应：

M2＋（金属离子）＋EBT（铬黑T）＝MEBT

蓝色酒红色

M2＋（金属离子）＋Y4－（EDTA）＝MY2－

MEBT＋Y4－（EDTA）＝MY2－＋EBT（铬黑T）

①取地下水样品25.00

进行预处理。

写出由

引起的暂时硬度的水用加热方法处理时所发生反应的化学方程式（任写一个）。

②预处理的方法是向水样中加入浓盐酸，煮沸几分钟，煮沸的目的是。

③将处理后的水样转移到250

的锥形瓶中，加入氨水－氯化铵缓冲溶液调节pH为10，滴加几滴铬黑T溶液，用0.01000

的EDTA标准溶液进行滴定，滴定时眼睛应

，滴定终点时的实验现象是。

④滴定终点时共消耗EDTA溶液15.00

，则该地下水的硬度＝。

⑤若实验时装有EDTA标准液的滴定管只用蒸馏水润洗而未用标准液润洗，则测定结果将

（填“偏高”、“偏低”或“无影响”）。

3.⑴永久石灰纯碱；

（2）①Mg（HCO3）2

Mg（OH）2↓＋2CO2↑（注意：

Mg（HCO3）2

MgCO3↓＋CO2↑＋H2O,MgCO3＋H2O

Mg（OH）2↓＋CO2↑）

②除去溶解的CO2

③注视锥形瓶中溶液颜色的变化;

溶液由酒红色变为蓝色且半分钟不褪色

④33.6°

⑤偏高

【解析】

（2）由于沉淀中的物质为Mg（OH）2和CaCO3和少量的MgCO3，Ca（HCO3）2

CaCO3↓＋CO2↑＋H2O或Mg（HCO3）2

MgCO3↓＋CO2↑＋H2O或Mg（HCO3）2

Mg（OH）2↓＋CO2↑；除去溶解的CO2。

注视锥形瓶中溶液颜色的变化；开始溶液