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        中學(xué)化學(xué)中的兩種硬度

        2017-10-16 00:31:11石其俊
        中學(xué)化學(xué) 2017年6期
        關(guān)鍵詞:硬水刻劃軟水

        石其俊

        化學(xué)是一門使人類生活更加美好的基礎(chǔ)學(xué)科,在課程改革的推動(dòng)下,新的化學(xué)教材增加了化學(xué)與生活、化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展、化學(xué)與環(huán)境保護(hù)的內(nèi)容。例如人教版九年級(jí)化學(xué)教材就新增加硬水、軟水、水的硬度等概念,解釋了用自來水洗衣物為什么既浪費(fèi)肥皂又洗不干凈。此外,在介紹碳單質(zhì)時(shí)較為詳實(shí)地講到了金剛石是天然存在的最硬的物質(zhì),而石墨很軟有滑膩感等知識(shí),目的是使學(xué)生建立微觀結(jié)構(gòu)決定性質(zhì),性質(zhì)又決定用途的理念。在高中化學(xué)教材中講到金屬的物理性質(zhì)時(shí),直接列表給出了14種金屬的硬度值,使固體硬度的概念由定性比較上升到定量量度。下面我們對(duì)化學(xué)中的兩種硬度做進(jìn)一步深討,以期對(duì)教學(xué)工作有所幫助。

        一、水的硬度

        1.硬水和軟水

        自然界中的水都不是純水,即使是經(jīng)過凈化的自來水蒸干后也會(huì)留下雜質(zhì)的痕跡。在化學(xué)上,把含有較多可溶性鈣、鎂化合物的水叫做硬水,不含或含較少可溶性鈣、鎂化合物的水叫軟水。更確切地說就是含有較多鈣、鎂離子的水叫硬水,反之叫軟水。如果水中的可溶性鈣、鎂化合物是Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2,煮沸時(shí)因生成CaCO3和Mg(OH)2沉淀可除去Ca2+、Mg2+離子,這種硬水叫暫時(shí)硬水,如果含其他可溶性鈣鎂的鹽,煮沸時(shí)不能除去Ca2+、Mg2+,則稱為永久硬水。其實(shí)天然水中可溶物更多的是鈉鹽和鉀鹽,那么人們?yōu)槭裁次í?dú)對(duì)Ca2+、Mg2+另眼看待呢?原因主要是在生產(chǎn)、生活中使用硬水會(huì)給人們帶來麻煩。例如,用硬水燒鍋爐會(huì)因生成水垢多消耗燃料,水垢出現(xiàn)裂縫使鍋爐內(nèi)管道受熱不均,輕者管道變形損壞,重者引起鍋爐爆炸。此外水中的Ca2+、Mg2+對(duì)釀造、印染、制藥等行業(yè)都是有害的,所以工業(yè)用水常常要除掉Ca2+、Mg2+,在北方,如果有機(jī)會(huì)去居民小區(qū)燒暖氣的鍋爐房參觀一下,就會(huì)對(duì)硬水的軟化有更深的體會(huì)。

        2.硬度的標(biāo)準(zhǔn)

        為了定量表示水的硬度,將所測(cè)得的鈣、鎂折算成CaO的質(zhì)量,通常把1L水中含有10 mg CaO稱為1度,在這一規(guī)定中CaO和MgO的質(zhì)量為什么不同呢?由n(CaO)=10 mg/56 g·mol-1=0.179 m mol,n(MgO)=7.14 mg/40 g·mol-1=0.179 m mol可知,10 mg CaO和7.14 mg MgO中Ca2+和Mg2+的物質(zhì)的量相同,又因Ca2+、Mg2+都是+2價(jià)陽(yáng)離子,在用化學(xué)方法除去Ca2+、Mg2+時(shí)必然消耗等量的軟化劑,可以說10 mg CaO與7.14 mg MgO是等效的,彼此相當(dāng)?shù)摹T谟?jì)算時(shí),水的硬度是Ca2+產(chǎn)生的硬度和Mg2+產(chǎn)生的硬度之和。例如,經(jīng)測(cè)定1L某水樣中含100 mg CaO和35.7 mg MgO,則水的總硬度等于10010+35.77.14=15(度)。從另一角度來看,水的總硬度又等于暫時(shí)硬度和永久硬度之和,一般來說,自然界的水硬度不超過30度,習(xí)慣上認(rèn)定超過8度的水為硬水,低于8度的水為軟水。鍋爐用水必須軟化,軟化后不得超過1度。

        除上述標(biāo)準(zhǔn)外,還可將水中Ca2+、Mg2+折算成CaCO3的質(zhì)量(mg)計(jì)量,例如自來水中CaCO3不得超過450mg/L。

        3.軟化不是凈化

        在生產(chǎn)上,硬水的軟化有石灰純堿法、磷酸鹽法和離子交換法等,但無論哪種方法都是水中Ca2+、Mg2+減少了,Na+增多了,只是因?yàn)殁c鹽總是可溶的,不會(huì)形成水垢,即使含量超過2 g/L,仍然可以作為鍋爐用水,所以軟化不是凈化,軟水也不是純水。

        二、固體的硬度

        1.摩氏硬度

        物質(zhì)對(duì)外來機(jī)械作用的抵抗程度稱為硬度,它是固態(tài)物質(zhì)的一種物理性質(zhì)。怎樣定量比較物質(zhì)的硬度呢?早在1822年奧地利礦物學(xué)家摩氏就選擇了10種比較常見的礦物做為硬度的10個(gè)等級(jí)來計(jì)量物質(zhì)的硬度,這10種礦物由軟到硬的順序是:①滑石②石膏③方解石④螢石⑤磷灰石⑥正長(zhǎng)石⑦石英⑧黃玉⑨剛玉⑩金剛石,凡排在后面的礦物都能用其尖端在前面的礦物上劃出刻痕來。在測(cè)定某種物質(zhì)的硬度時(shí),將被測(cè)物和上述標(biāo)準(zhǔn)物互相刻劃,就可得出被測(cè)物的硬度值。例如鋅片和方解石相互刻劃時(shí),鋅片上留下刻痕,當(dāng)用鋅片和石膏相互刻劃時(shí),石膏上留下痕跡,說明鋅比石膏硬、比方解石軟,其硬度值應(yīng)在2和3之間,約為2.5。利用這種方法我們可以得出手指甲的硬度約為2,Cu和Al為3,F(xiàn)e等于4,鋼在5和5.5之間,玻璃為6,由于硬度大于7的物質(zhì)是比較少見的,所以在測(cè)定常見物質(zhì)的硬度時(shí),可以不用上述的標(biāo)準(zhǔn)物,只要用指甲、鑰匙、鐵釘、小刀、碎玻璃片就可以了。

        2.布氏硬度

        上面所談的摩氏硬度又叫刻劃硬度,因?yàn)闇y(cè)定方法簡(jiǎn)便,所以在地質(zhì)工作中被廣泛采用,在化學(xué)教材中也常做為比較物質(zhì)軟硬的標(biāo)準(zhǔn)(如高中課本的金屬硬度表)。但摩氏硬度是以天然礦物為等級(jí),而這些礦物的硬度差并不一致,因此不能精確地表示硬度的絕對(duì)大小。在工業(yè)生產(chǎn)中又常采用布氏硬度做為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。布氏硬度是通過儀器用3000N的力把一個(gè)經(jīng)淬火的鋼球壓入被測(cè)物中,再根據(jù)壓痕的直徑計(jì)算出來的,壓痕越大,硬度越小,所以布氏硬度又稱壓入硬度,能更精確地表示金屬材料的硬度。

        3.硬度與微觀結(jié)構(gòu)的聯(lián)系

        物質(zhì)的宏觀性質(zhì)是微觀結(jié)構(gòu)的反映,結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)。

        不同類型的晶體,其硬度常常有很大的區(qū)別。原子晶體是由原子通過共價(jià)鍵結(jié)合而成的,分子晶體是由分子通過分子間作用力結(jié)合而成的,由于共價(jià)鍵比分子間作用力高1-2個(gè)數(shù)量級(jí),所以原子晶體比分子晶體硬得多,摩氏硬度值都在7-10之間,而分子晶體的磷的硬度只1左右。在已知物質(zhì)中,金剛石的硬度最大,這是由于碳原子半徑小,共價(jià)鍵的鍵能大,方向性強(qiáng),破壞這樣的共價(jià)鍵或使鍵角扭曲會(huì)受到極大的阻力。

        離子晶體的硬度一般也比較大,根據(jù)庫(kù)侖定律,離子間的靜電力與離子電荷的乘積成正比,與核間距的平方成反比,所以當(dāng)離子電荷相同時(shí),離子半徑之和越大,硬度越小。如MgO的硬度為6.5,CaO僅4.5。當(dāng)離子半徑之和相近時(shí),離子電荷越高,硬度越大,如MgO的硬度大于NaF(3,2),由于上述原因,在離子晶體中Al2O3(剛玉)的硬度最大。

        金屬晶體的硬度決定于金屬鍵的強(qiáng)弱,由于金屬原子的半徑和未成對(duì)電子數(shù)差別很大,所以各種金屬的硬度有著明顯的不同。從高中教材查得鈉的硬度僅為0.4,用小刀可以輕易地切割,與鈉同樣只有1個(gè)最外層電子,半徑比Na大的Cs,硬度應(yīng)比Na小,事實(shí)與上述推測(cè)一致,其硬度僅為0.2。ⅥB族元素未成對(duì)電子數(shù)量多(6個(gè)),其中Cr的原子半徑最小,因此在金屬中Cr的硬度最大,與剛玉相當(dāng)。

        具有層狀結(jié)構(gòu)的過渡型晶體,如滑石、石膏、云母、石墨在相互刻劃時(shí),層與層之間容易滑動(dòng),所以硬度很小。石墨在紙上能留下黑色劃痕,可用來制鉛筆。鉛筆芯的硬度可用摻入黏土的比率來調(diào)節(jié),硬度用H、B表示,最軟的是6B,最硬的是6H,考試涂卡時(shí),用2B鉛筆效果最佳。

        中學(xué)化學(xué)中的兩種硬度,其內(nèi)涵和外延完全不同,好在運(yùn)用硬度概念表述問題時(shí),由于語(yǔ)言環(huán)境的不同不會(huì)造成混淆。

        (收稿日期:2017-04-15)endprint

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