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 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 。
、
、 、 ，然
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↑＋H2O Mg(HCO3)2=====MgCO3↓＋CO2↑＋H2O
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
－
＋
Al(OH)3＋3H
＋
△
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1 L的水中含10 mg CaO(或相当于10 mg CaO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Ca244 mg/L，含Mg218 mg/L，则通过Ca2～CaO和Mg2～CaO的关系式，计算出1 L这种水相当于含103.6 mg CaO，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)＝1×103mol/L、c(Mg2)＝5×104mol/L、c(HCO3)＝8×104mol/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1 m3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1 L水中所含CaO或相当于CaO的物质的质量。
＋
－
＋
－
－
－
＋
＋
－
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
－
＋
＋
＋
＋
(1)设水样的体积为1 L，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)1 m3水样中n(Ca2＋)＝1 mol，n(Mg2＋)＝0.5 mol，n(HCO3－)＝0.8 mol，可将溶质看成Ca(HCO3)2：0.4 mol(暂时硬度)；Ca2＋：0.6 mol和Mg2＋：0.5 mol(永久硬度)。
加入消石灰时，发生如下反应：
Ca(HCO3)2＋Ca(OH)2===2CaCO3↓＋2H2O 0．4 mol 0.4 mol
Mg2＋ ＋ Ca(OH)2===Mg(OH)2↓＋Ca2＋ 0．5 mol 0.5 mol 0.5 mol
故共需Ca(OH)2质量为(0.4＋0.5)mol×74 g·mol－1＝66.6 g。 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×106 g·mol－1＝116.6 g。
【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Ca、Mg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＋Ca。
＋
2＋
2＋
2＋
【三案一课】化学人教版选修导学案天然水的净化
