孟凡宇 王興輝 趙紅艷

水垢形成是我們在日常生活中經(jīng)常遇到的一種現(xiàn)象.由于日常生活中所用的自來水都是硬水（含有較多Ca2+和Mg2+的水），這類硬水當遇到溫度變化時，特別是當高溫煮沸時，就會形成難溶解的鈣鎂化合物.這些物質(zhì)達到一定的濃度時，就會形成固體沉淀下來，附著在發(fā)熱體表面，于是就形成了水垢.水壺是每個家庭的生活必需品，不少人家的水壺已經(jīng)使用了多年，里面的水垢也存在著不同程度的積累.很多家庭往往會忽視水垢的清除，覺得影響不大，其實不然.如果不經(jīng)常清除水垢，小則損壞水壺，浪費能源，大則影響到人們的身體健康.尤其對于兒童和老年人，其危害更大.本文介紹運用目前所學的化學知識來驗證水垢的主要成分，并根據(jù)現(xiàn)有的清除水垢的方法，探究出在家庭中清除水垢的最佳方式.

一、實驗構(gòu)想

實驗1：

1.根據(jù)Ca（OH）2微溶于水的性質(zhì)，在水垢濾液中加入Na2CO3溶液反應，看是否有CaCO3生成.Na2CO3+Ca（OH）2CaCO3↓+2NaOH

2.根據(jù)MgCO3微溶于水的性質(zhì)，在水垢濾液中滴加稀鹽酸反應，驗證是否有氣體產(chǎn)生.MgCO3+2HClMgCl2+CO2↑+H2O

3.根據(jù)CaCO3與稀鹽酸反應的原理，驗證在水垢中滴加稀鹽酸是否有氣體產(chǎn)生.CaCO3+2HClCaCl2+H2O+CO2↑

4.根據(jù)Mg（OH）2與稀鹽酸反應生成氯化鎂，氯化鎂與氫氧化鈉反應又生成Mg（OH）2的原理，驗證水垢中是否含Mg（OH）2.

Mg（OH）2+2HClMgCl2+H2O

MgCl2+2NaOHMg（OH）2+2NaCl

再通過將陰離子全部轉(zhuǎn)換為碳酸根，并將其沉淀，過濾得到濾渣，看固體質(zhì)量是否改變.

實驗2：

1.在同等質(zhì)量的水垢中分別加入配制好的適量稀鹽酸（HCl）、檸檬酸（C6H8O7）、白醋（CH3COOH）、小蘇打（NaHCO3）、草酸（H2C2O4）等五種溶液，觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗結(jié)果.

2.將上述實驗過程做進一步加熱處理，觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗結(jié)果.

3.查閱資料，研究稀鹽酸、檸檬酸、白醋、小蘇打、草酸這五種物質(zhì)對人體危害性的大小.結(jié)合上述實驗結(jié)果，通過比較，得出最終實驗結(jié)論.

二、實驗過程

實驗1：

1.實驗儀器：藥匙、試管、研缽、燒杯、膠頭滴管、鐵架臺、漏斗、濾紙、玻璃棒、電子天平、試管夾.

2.實驗試劑：水垢、稀鹽酸、蒸餾水、澄清石灰水、Na2CO3溶液、Na（OH）2溶液.

3.實驗步驟：

（1）在適量研碎的水垢中加入適量的蒸餾水，充分攪拌，過濾.取少量濾液于試管中，向試管中加入Na2CO3溶液，觀察實驗現(xiàn)象，得出實驗結(jié)果.

（2）取少量濾液于試管中，向試管中加入稀鹽酸，觀察實驗現(xiàn)象，驗證實驗是否產(chǎn)生氣體，得出實驗結(jié)果.

（3）取三藥匙水垢加入試管中.先加入稀鹽酸，再將生成的氣體通入到澄清的石灰水中.觀察實驗現(xiàn)象，驗證實驗所產(chǎn)生的氣體，得出實驗結(jié)果.

（4）取試管中上層清液少許于試管中，加氫氧化鈉溶液，觀察實驗現(xiàn)象，得出實驗結(jié)果.

（5）稱取一定量的水垢，記錄其質(zhì)量m1，加入試管中.加入過量稀鹽酸至沉淀完全消失，然后加入過量濃Na2CO3溶液.再將溶液過濾，得到一定量的沉淀，測定其質(zhì)量m2.

4.實驗現(xiàn)象與結(jié)果：

（1）沒有白色沉淀產(chǎn)生，水垢中不含Ca（OH）2；

（2）沒有氣泡產(chǎn)生，水垢中沒有MgCO3；

（3）有氣泡產(chǎn)生，將生成的氣體通入澄清石灰水后澄清石灰水變渾濁，水垢中有CaCO3；

（4）產(chǎn)生白色沉淀；

（5）測定質(zhì)量m1大于m2，則由此可推知水垢中含Mg（OH）2.

注：碳酸鎂是微溶于水的，Mg（OH）2的濃度積遠小于MgCO3，所以Mg（OH）2的沉淀形式更穩(wěn)定，不容易被水分子水合電離.水垢中存在氫氧化鎂而不是碳酸鎂.

實驗2：

1.實驗儀器：電子天平、藥匙、試管、燒杯、膠頭滴管、酒精燈、試管夾.

2.實驗試劑：水垢、稀鹽酸（6%）、蒸餾水、石灰水、檸檬酸、白醋（10%）、小蘇打、草酸.

3.實驗步驟：

（1） 稱取6份相同質(zhì)量（1g）的水垢，分別放入6個試管①②③④⑤⑥中.

（2）配置等量的小蘇打（飽和）、檸檬酸（10%）、草酸（10%）、白醋、稀鹽酸溶液，分別加入上述5個試管①②③④⑤中.試管⑥中加入等量蒸餾水，靜置片刻.觀察實驗現(xiàn)象.

（3）用酒精燈分別加熱試管①②③④⑥片刻，觀察實驗現(xiàn)象.

（4）將上述試管擱置6小時后，觀察試管內(nèi)水垢的變化.

4.實驗現(xiàn)象：

（1）步驟2中，試管⑤內(nèi)的水垢溶解迅速，并產(chǎn)生大量氣泡，1分鐘后水垢完全溶解.試管④中產(chǎn)生大量氣泡，1分鐘后水垢明顯減少.試管②中有氣泡產(chǎn)生，仍有較多沉淀，但沉淀開始從大顆粒變?yōu)樾☆w粒.試管③中產(chǎn)生少量氣泡，沉淀較多.試管①⑥無明顯現(xiàn)象.

（2）步驟3中，試管④較未加熱時反應劇烈，產(chǎn)生大量氣泡，水垢溶解速度加快.停止加熱后水垢只有少量剩余.試管①中溶液沸騰，水垢溶解加快，但無氣泡生成.試管②中有大量氣泡產(chǎn)生，停止加熱后水垢由塊狀大顆粒基本上轉(zhuǎn)換為粉末狀小顆粒.試管③中也有少量氣泡產(chǎn)生，停止加熱后沉淀較多.試管⑥無明顯變化.

（3）步驟4中，試管③內(nèi)水垢未完全溶解.試管①內(nèi)水垢有所減少，且顆粒變小.試管②內(nèi)水垢雖未完全溶解，但基本上變?yōu)樾☆w粒狀.試管④內(nèi)水垢基本溶解完.試管⑤內(nèi)水垢完全溶解.試管⑥無明顯變化.

5.實驗結(jié)果：

（1）稀鹽酸清除水垢的效果最好，清除得又快又徹底.

（2）其次是白醋，在加熱情況下，效果接近于稀鹽酸.

（3）草酸除垢效果差于稀鹽酸與白醋.在加熱情況下，除垢效果要略微好一些.

（4）檸檬酸除垢效果差于稀鹽酸，其反應的生成物檸檬酸鈣和檸檬酸鎂微溶于水，因而沉淀不消失.但檸檬酸鈣和檸檬酸鎂溶于酸，因此在檸檬酸過量的情況下，沉淀將減少.此外，由于檸檬酸鈣和檸檬酸鎂在清水中雖為沉淀，但其顆粒較小，不易附著于容器表面，便于清洗.

注：任何難溶鹽沉淀在水中后都有一定的溶解度.對于金屬離子的弱酸鹽沉淀，其溶解度還隨PH值的變化而變化，這可以從平衡移動的原理得到解釋：檸檬酸是一個三元弱酸，0.1mol/L水溶液的PH值約為2.1.如果氯化鈣加到這樣高酸度的檸檬酸溶液中，由于此時對于三元弱酸檸檬酸，溶液中的檸檬酸根的濃度是非常低的（總濃度是0.1mol/L時，檸檬酸根的濃度約為4.8×10-10mol/L），與鈣離子的濃度冪的積小于溶度積常數(shù)，因而不會沉淀.這種因PH值降低而導致沉淀溶解度增大或不沉淀的現(xiàn)象，叫作沉淀溶解平衡的酸效應.此外，檸檬酸與鈣還可以生成絡合物，這也導致沉淀溶解度增大甚至不沉淀.這被叫作絡合效應.

（5）小蘇打除垢的效果較上述四種物質(zhì)都差，且不與Mg（OH）2反應.在加熱情況下，能夠加速其與水垢成分的反應速率.

三、實驗結(jié)論

1.本實驗所用除垢劑的化學危害性分析.

（1）稀鹽酸具有強酸性，有刺激性氣味，腐蝕性強.若使用不當，可能造成水壺的損壞.因此，稀鹽酸不適宜用于家庭生活用品如水壺中水垢的清除.

（2）草酸，有機酸中的強酸，但有毒，對皮膚、黏膜有刺激及腐蝕作用，極易經(jīng)表皮、黏膜吸收而引起中毒.空氣中最高容許濃度為1mg/m3.因此，草酸不適宜用于家庭生活用品如水壺中水垢的清除.

（3）檸檬酸，一種較強的有機酸，廣泛應用于食品、醫(yī)藥等領域.因此，檸檬酸可用于家庭生活用品如水壺中水垢的清除.

（4）白醋，主要成分是醋酸，是家庭中常用的烹調(diào)佐料，易于獲取.因此，白醋最適用于家庭生活用品如水壺中水垢的清除.

（5）小蘇打，其中食用小蘇打可用于日常食品的加工.因此，小蘇打可應用于家庭生活用品如水壺中水垢的清除.但其除垢能力不強.

2.本實驗結(jié)論.

（1）檸檬酸、白醋、小蘇打可用于家庭生活用品如水壺中水垢的清除；

（2）在加熱條件下，上述三者的除垢效果要優(yōu)于非加熱條件下；

（3）白醋的除垢效果要優(yōu)于檸檬酸、小蘇打；

（4）白醋是家庭生活中的常用品，易于獲得，因此用白醋（在加熱條件下）進行除垢是家庭中清除水垢的最佳方式.

四、生活實踐

在有水垢的水壺中加入清水，加入適量的白醋，加熱煮沸一段時間后冷卻.放置6至8小時，然后用清水沖洗干凈，并用潔凈布片擦拭，水壺中的水垢即可被清除.