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水的硬度测定

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水的硬度测定
摘要：水是生命之源，水的一些性质与我们的生活息息相关，它带给了我们幸福，也会带给我们灾难。了解水的性质，利用水的性质来进行生产生活，我们会更加安全地使用水，并且能够避免一些灾难发生。水的硬度就是水的重要性质之一。水的硬度最早是指沉淀肥皂的程度。水变“硬”的原因，主要是钙和镁盐的作用。因此，水的硬度的精确定义是水中的钙离子和镁离子的含量（以mmol/L表示），又称为总硬度。这两种离子的含量越高，水的硬度就越大。通过水的硬度测定的实验，我们除了可以掌握水的硬度测定的原理、方法及相关的实验操作方法步骤外，还能更加深入地了解不同的水样的软硬度，让我们的生活变得更加安全、舒适、健康。
关键词：水的硬度；概念；实验原理；实验过程；
一、 水的硬度
水是生命之源，水的一些性质与我们的生活息息相关，它带给了我们幸福，也会带给我们灾难。了解水的性质，利用水的性质来进行生产生活，我们会更加安全地使用水，并且能够避免一些灾难发生。水的硬度就是水的重要性质之一。
（一） 、水的硬度的概念
水的硬度最早是指沉淀肥皂的程度。某些水体中的水会与肥皂形成大量的渣滓，使肥皂失去去污作用，这种水称为“硬水”。人们在实践中发现，地下水从地层深处流出的泉水和深井水比较“硬”，多属于硬水，雨水，池塘，小溪等地面水比较“软”，属于软水。
水变“硬”的原因，主要是钙和镁盐的作用。钙占地球上元素丰度的第五位，镁为第八位。当水经过石灰石、白云石、石膏等岩层时，会溶解部分钙和镁，因此自然界水体中总是或多或少地含有钙、镁离子。钙和镁可以与肥皂中的主要成分（脂肪酸钠）形成脂肪酸钙和脂肪酸镁沉淀，使肥皂失效。
因此，水的硬度的精确定义是水中的钙离子和镁离子的含量（以mmol/L表示），又称为总硬度。这两种离子的含量越高，水的硬度就越大。硬水是指硬度为16—30度的水，而软水是硬度低于8度的水。
（二）、水的硬度的表示方法
不同国家水的硬度的表示方法有所不同：
德国硬度(ºDH)：1L水中含有相当于10mg的CaO，其硬度即为1个德国硬度。
美国硬度(mg/L)：1L水中含有相当于1mg的CaCO3，其硬度即为1个美国硬度。
法国硬度(degree F)：1L水中含有相当于10mg的CaCO3，其硬度即为1个法国硬度。
英国硬度(ºClark): 1L水中含有相当于14.28mg的CaCO3，其硬度即为1个英国硬度。
换算关系为 1mmol/L=5.61 ºDH=100 mg/L=7.02 ºClark=10 degree F
我国目前最普遍使用的水的硬度表示方法和德国硬度表示方法相同。
（三）、水的软硬度与人们的生产生活
1、 水的硬度与生活
首先了解一下钙镁离子与人体健康的关系。钙镁离子是人体每天必需的营养素，如果水有一定硬度，通过饮水就可以补充一定量的钙镁离子。长期服用软水的人，则需要通过其他途径补充。
其实，水的硬度太高和太低都不好，因为水的硬度和一些疾病有密切关系。调查发现，在水硬度较高地区心血管疾病发病率较低。我国饮用水规定的标准是不能超过25度，最适宜的饮用水的硬度为8～18度，属于轻度或中度硬水。
水的软硬与饮用口感：水的口感与软硬也有关系，多数矿泉水硬度较高，所以使人感到清爽可口，而软水显得淡而无味。但用硬水泡茶，冲咖啡，口感将受到影响，所以，喝茶时尤其是喝绿茶时最好用软一点的水来冲泡。
水的软硬与身感：洗澡后感觉爽滑的是硬水，而感觉总冲洗不干净的是软水。
2、水的硬度与生产 
由于水中含有各种离子以及一些杂质，容易使锅炉中产生水垢。锅炉的给水和锅水的组成、性质以及生成水垢的具体条件不同，使水垢在成分上有很大的差别。如按其化学组成，水垢可以分为下列几种，其特性和结垢的部位简述如下： 
a) 碳酸盐水垢  碳酸盐水垢的成分以碳酸钙为主，也有少量的碳酸镁。其特性按其生成条件不同。有坚硬性的硬垢；也有疏松海绵状的软垢。此类水垢具有多孔性。比较容易清除：它常在锅炉水循环较嘎的部位和给水的进口处结生。 
b) 酸盐水垢  硫酸盐水垢的主要成分是硫酸钙。它的特性是特别坚硬和致密。它常沉积在锅炉内温度最高。蒸发率最大的蒸发面上。 
c) 硅酸盐水垢  硅酸盐水垢的主要成分是硬硅钙石(5CaO·5Si02·H2O)或镁橄榄石(MgO．SiO2)；另一种是软质的硅酸镁，主要成分是蛇纹石(3MgO·2SiO2·2H2O)：一般二氧化硅的含量都在20％以上。 它的特性是非常坚硬，导热性非常小，它常常容易在锅炉温度高的蒸发面上沉积。 
d) 混合水垢  混合水垢是由钙、镁的碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐以及铁铝氧化物等组成，很难指出其中哪一种是最主要的成分。主要是由于使用不同成分的水质生成的。
二、 水的硬度实验
（一）、实验目的  
1、掌握EDTA的配制及用硫酸镁标定EDTA的基本原理与方法；
1、了解水的硬度的概念及其表示方法；
2、掌握配位滴定的基本原理、方法和计算、学会判断配位滴定的终点；
3、掌握铬黑T、钙指示剂的使用条件和终点变化；
4、掌握容量瓶、移液管和滴定管的正确使用。
（二）、基本操作 
1、电子天平的使用 
2、容量甁的使用 
3、滴定管的使用 
（三）、仪器与试剂 
1、仪器   
电子天平（0.1mg）、容量瓶（250mL）、移液管（20mL）、酸式滴定管（50mL）、锥形瓶（250mL）、烧杯(250mL、500mL)、玻璃棒、表面皿、硬质玻璃瓶 
2、试剂   
pH=10.0的缓冲溶液；铬黑T指示剂（EBT）；EDTA标准溶液（10mmol/L）；滴定水样
(四)、实验原理
1、EDTA标准溶液的配制与滴定
乙二胺四乙酸二钠盐(习惯上称EDTA)是有机配位剂，能与大多数金属离子形成稳定的1:1 型的螯合物，计量关系简单，故常用作配位滴定的标准溶液。通常采用间接法配制EDTA标准溶液。标定EDTA溶液的基准物很多，如金属Zn、Ni、Pb 、Bi、Cu等，金属氧化物ZnO、Bi2O3等及盐类CaCO3、MgSO4· 7H2O、Zn(Ac)2·3H2O 等。通常选用其中与被测物组分相同的物质作基准物，这样，标定条件与测定条件尽量一致，可减小误差。如果用被测元素的纯金属或化合物作基准物质，就更为理想。本实验采用CaCO3作基准物标定EDTA，以钙指示剂作指示剂，用1mol·L－1的NaOH控制溶液滴定时的pH为12～13。因为钙指示剂一般在强碱性下使用。
2、水硬度的测定
测定时,先用缓冲溶液调节溶液的pH=10左右。滴定前,当加入指示剂铬黑T时,它首先与水中少量的Ca2+、Mg2+配位形成酒红色的配合物[CaIn]2-、[MgIn]2-,具体反应为
Ca2+ + HIn2- （蓝色）====[CaIn]2- （酒红色） + H+
Mg2+ + HIn2- （蓝色）====[MgIn]2- （酒红色） + H+
当用EDTA溶液滴定时,EDTA便分别与水中游离的Ca2+,Mg2+离子配位,接近终点时,因[CaY]2-、[MgY]2-的稳定性大于[CaIn]2-、[MgIn]2-,故EDTA夺取[CaIn]2-、[MgIn]2-中的Ca2+、Mg2+,使铬黑T游离出来，即
[CaIn]2- （酒红色）+ H2Y2- ===[CaY]2- + HIn2- （蓝色）+ H+
[MgIn]2- （酒红色）+ H2Y2- ===[MgY]2- + HIn2- （蓝色）+ H+
这时溶液由酒红色变为蓝色,指示终点到达。
根据等物质的量反应规则,根据EDTA标准溶液的浓度和消耗的体积,可按下式计算水的总硬度。
3、结果表示
钙和镁的总量（mmol/L）用下式计算

C1――EDTA二钠溶液的浓度（mmol/L）；
V1——滴定中消耗EDTA二钠溶液的体积；
V0——式样体积（mL）。
（五）、实验步骤
1、量取100ml透明水样注入250ml锥形瓶中。如果水样混浊，取样前应过滤。
注：水样酸性或碱性很高时，可用5%氢氧化钠溶液或盐酸溶液（1+4）中和后再加缓冲溶液。
2、加入5ml氨缓冲液和4-2滴铬黑T指示剂。
注：碳酸盐硬度较高的水样，在加入缓冲溶液前应先稀释或先加入所需EDTA标准溶液量的80%~90%（记入滴定体积内），否则缓冲溶液加入后，碳酸盐硬度析出，终点拖长。
3、在不断摇动下用EDTA标准溶液滴至由酒红色变为蓝色即为终点，记录EDTA溶液消耗的体积。（全过程应于5min内完成，温度不应低于15℃。）
4、另取100mlⅡ级试剂水，作空白试验
（六）、测定硬度时应注意事项：
1）若水样中的酸性或碱性较高时应先用0.1mnaOH或0.1M的盐酸中和后再 加缓冲溶液。
2）对碳酸盐硬度较高的水样，在加入缓冲液前应先稀释或加入所需要EDTA 标准溶液量的80～90%（记入在所消耗的体积内）否则可能析出碳酸盐沉淀使滴定终点延长。
3）滴定过程中如发现滴不到终点色或指示剂加入后颜色呈灰紫色时可能是Fe，Cu，Al，Mn等离子的干扰，可在指示剂加入前先加入0.2克硫酸和2ml三乙醇胺进行联合掩消除干扰。
4）冬季水温较低时络合反映速度较慢，容易造成过滴定而产生误差，可将水样预先加热至30～40℃后进行滴定或缓慢滴定。
5）若水样混浊或加入氨缓冲液后生成Fe（OH）2，妨碍终点观察，而需用滤约过滤时，应注意滤约本身常带有硬度，可先用水样将滤纸充分洗涤后使用。
三、结语
通过水的硬度测定的实验，我们除了可以掌握水的硬度测定的原理、方法及相关的实验操作方法步骤外，还能更加深入地了解不同的水样的软硬度，让我们的生活变得更加安全、舒适、健康。
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