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