高中化学第二单元化学与资源开发利用课题1获取洁净的水学案新人教版选修2

课题1 获取洁净的水
1．了解用混凝法除去天然水中悬浮物的原理及利用化学软化法除去天然水中可溶性杂质的原理。

2．了解污水处理的基本过程和方法，通过对水体污染的危害和造成水体污染主要污染物的了解，树立环保意识。

3．了解蒸馏法、电渗析法等海水淡化的一般方法。

授课提示：对应学生用书第16页
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．水质和数量的要求。

2．选择有效的方法和设备。

3．考虑必要的成本核算，进行质量、数量及经济实用等方面的综合评价。

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混凝剂，使细小的悬浮物和胶体聚集成较大的颗粒而沉淀，然后过滤除去的方法。

(2)常用的混凝剂
在生活中常用明矾作混凝剂，在工业生产中还常用硫酸铝、聚合铝、硫酸亚铁、硫酸铁等作混凝剂。

(3)明矾的净水原理
明矾在水中发生电离：KAl(SO4)2===K＋＋Al3＋＋2SO2－4；Al3＋与水发生水解反应生成Al(OH)3的离子方程式：Al3＋＋3H2O Al(OH)3＋3H＋。

①Al(OH)3在水中以絮状的胶体形式存在，Al(OH)3胶体粒子带正电，水中的胶体杂质一般带负电，通过电性吸引作用，使胶体杂质聚沉。

②Al(OH)3胶体有较大的表面积，能吸附水中悬浮的杂质。

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，还要杀菌消毒。

流程如下：混凝沉淀―→过滤―→杀菌。

(2)常用的杀菌剂有：氯气、臭氧、二氧化氯等。

3．化学软化法
(1)水的硬度
①软水和硬水：含有较多Ca 2＋、Mg 2＋的水叫做硬水；含有少量Ca 2＋、Mg 2＋或不含Ca 2＋、Mg 2＋的水叫做软水。

②硬度的划分
a ．暂时硬度：水的硬度是由Ca(HCO 3)2或Mg(HCO 3)2所引起的，这种硬度叫暂时硬度。

b ．永久硬度：水的硬度是由钙和镁的硫酸盐或氯化物等引起的，这种硬度叫做永久硬度。

天然水大多同时具有暂时硬度和永久硬度。

(2)硬水的软化方法
硬水软化的方法通常用加热法、药剂法和离子交换法等。

①具有暂时硬度的水可以用加热的方法进行软化，用化学反应方程式表示为：
Ca(HCO 3)2=====△CaCO 3↓＋CO 2↑＋H 2O ，
Mg(HCO 3)2=====△MgCO 3↓＋CO 2↑＋H 2O ，
MgCO 3＋H 2O=====△Mg(OH)2↓＋CO 2↑。

②具有永久硬度的水可采用药剂法和离子交换法进行软化。

三、污水处理 污水处理的技术很多，可分为物理法、生物法和化学法等。

根据污水处理的程度又分为
一级、二级、三级。

1．污水处理的常用方法
常用方法有酸碱中和法、重金属离子沉淀法等。

(1)中和法
①对酸性或碱性废水，可用中和法进行处理。

常用熟石灰来中和酸性废水；用H 2SO 4和CO 2
中和碱性废水。

②高浓度的酸、碱废水，应先回收利用，如浓缩法回收其中的酸或碱，再用中和法处理
较少量的酸或碱。

(2)沉淀法 对于含重金属离子的工业废水，可以利用某些化学物质作沉淀剂，与重金属离子反应生
成沉淀而析出，从废水中分离。

含有Na 2S 的工业废水，可向其中加入HgS ，转化为Pb 2＋沉淀
而除去。

用这种处理方法，也能同时将水中所含的Cu 2＋等重金属离子除去。

(3)氧化还原法
利用空气或氧化剂可将废水中的有机物氧化为无害物质。

2．污水处理流程
一级处理通常采用物理方法，即用格栅间、沉淀池等除去污水中不溶解的污染物。

二级处理采用生物方法及某些化学方法，除去水中的可降解有机物和部分胶体污染物。

三级处理主要采用化学沉淀法、氧化还原法、离子交换法和反渗透法等，对污水进行深
度处理和净化。

四、海水淡化
1．常用方法
海水淡化主要有蒸馏法和电渗析法。

2．电渗析法原理
(1)电渗析法是一种利用离子交换进行海水淡化的方法。

(2)离子交换膜是一种功能性膜，应具有良好的选择透过性和化学稳定性。

(3)电渗析法淡化海水，就是在外加直流电场的作用下，海水中的阴、阳离子分别透过阴膜和阳膜，可达到分离和浓缩的目的，从而使得淡水和浓缩海水被分离。

授课提示：对应学生用书第17页
要点一硬水的软化
1．天然水硬度的形成
天然水与空气、岩石和土壤等长期接触，其中溶解了许多杂质，如无机盐类、某些可溶性有机物以及气体等，通常含有Ca2＋、Mg2＋等阳离子和HCO－3、CO2－3、SO2－4、Cl－、NO－3等阴离子。

不同地区的天然水里含有这些离子的种类和数量不同。

一般地说，地下水、泉水中含Ca2＋、Mg2＋较多，即硬度较高；而雨水、河水、湖水中含Ca2＋、Mg2＋少一些，即硬度较低。

2．水的硬度过高的危害
水的硬度过高对生活和生产都有害处。

例如，洗涤用水如果硬度太高，水中的Ca2＋、Mg2＋与肥皂反应生成不溶于水的物质，不仅浪费肥皂，也洗不净衣物。

在工业上对水的硬度也有要求，如锅炉用水如果硬度太高，长期烧煮后，水里的钙盐和镁盐会在锅炉内结成锅垢，使锅炉内金属管道的导热能力大大降低，不但浪费燃料，而且会导致管道局部过热，使锅炉管道变形或损坏，严重时会引起爆炸事故。

所以硬水的软化非常重要。

3．硬水的软化
(1)药剂法软化硬水
①药剂：常用的药剂有纯碱、生石灰、氢氧化钠等；工业锅炉用水还常用磷酸盐处理。

②原理：
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＋＋CO2－3===CaCO3↓
③适用范围：除去水的暂时硬度和永久硬度。

(2)离子交换法软化硬化
①原理
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Ca2＋、Mg2＋发生离子交换作用，使水得到软化。

其工艺流程如
右图所示。

图中的离子交换剂是一种树脂，它是不溶于水但能与溶液中
相同电性离子进行交换的有机高分子电解质，常用NaR、HR等表示。

发
生的反应如下：
2NaR＋Ca2＋===CaR2＋2Na＋
2NaR＋Mg2＋===MgR2＋2Na＋
②适用范围：除去水的暂时硬度和永久硬度。

[例1] 下列说法中，不正确的是( )
A．用明矾净水可以降低水的硬度
B．硬水中加入肥皂会产生浑浊且泡沫少
C．经磺化煤处理过的软水中Na＋浓度会增大
D．硬水软化后，其成分和性质都相当于蒸馏水
[解析] 用明矾净水是指用Al3＋水解生成的Al(OH)3胶体吸附并除去水中细小的悬浮物的过程，并未减少水中的Ca2＋或Mg2＋，因而不会降低水的硬度。

硬水软化是指除去或减少水中的Ca2＋、Mg2＋，其他成分基本不变，因而其成分和性质与蒸馏水差别很大。

故A、D项符合题意。

[答案] AD
1．用下列方法除去含Ca2＋、Mg2＋、Cl－、HCO－3的硬水中的致硬离子，所得到的水含离子的浓度最小的是( )
A．蒸馏B．加热煮沸
C．加Ca(OH)2与Na2CO3D．离子交换法
解析：通过蒸馏可得到非常纯的蒸馏水，几乎不含任何杂质离子，所以A是正确的。

加热煮沸只能降低由Ca2＋、Mg2＋和HCO－3引起的水的硬度，不能完全除去Ca2＋和Mg2＋等，加入Ca(OH)2与Na2CO3或采用离子交换法虽然可以降低Ca2＋、Mg2＋的浓度，但不可能完全除去它们，并且在除去Ca2＋、Mg2＋的同时，又增加了Na＋。

答案：A
要点二污水处理
1．水污染
(1)水体污染：是指大量污染物质排入水体，超过水体的自净能力使水质恶化，水体及周围的生态平衡遭到破坏，对人类健康、生活和生产活动等造成损失和威胁的情况。

(2)水体污染的主要来源
①工业污染：工厂的“三废”(废气、废渣、废液)倒入江河、地下，污染江河和地下水。

②农业污染：农药、化肥的不合理使用，也易造成水的污染。

③生活污染：生活污水及生活垃圾的任意排放，造成水的污染。

④其他污染：A.病原微生物污染；B.需氧有机物污染；C.富营养化污染(赤潮)；D.恶臭物污染；E.地下水硬度升高；F.重金属离子污染(水俣病)；J.石油泄露造成的海水污染；H.热污染；I.放射性水污染。

2．污水处理的方法
污水处理一般可分为一级、二级和三级处理。

(1)一级处理采用物理处理方法，即用格栅、筛网、沉沙池、沉淀池、隔油池等构筑物，去除污水中的固体悬浮物、浮油，初步调整pH，减轻废水的腐化程度。

(2)二级处理是采用生物处理方法及某些化学方法来去除污水中的可降解有机物和部分胶体污染物。

经过二级处理后，污水中BOD的去除率可达80%～90%，即BOD含量可低于30 mg·L －1。

(3)三级处理是进一步去除二级处理未能去除的污染物，如磷、氮及难以降解的有机污染物、无机污染物、病原体等。

污水的三级处理是在二级处理的基础上，进一步采用化学法(化学氧化、化学沉淀等)、物理法(吸附、离子交换、膜分离技术等)以除去某些特定污染物的一种“深度处理”方法。

(4)污水处理时，污水中的悬浮物可用混凝法除去；对其他溶解在水中的污染物，则要根据其化学性质采用有针对性的化学方法，如酸碱中和法、重金属离子沉淀法等。

①中和法：若为酸性废水用熟石灰来中和。

反应为2H＋＋Ca(OH)2===Ca2＋＋2H2O,2H＋＋CaO===Ca2＋＋H2O；
若为碱性废水，用H2SO4或CO2中和，反应为OH－＋H＋===H2O,2OH－＋CO2===CO2－3＋H2O或OH－＋CO2===HCO－3。

②沉淀法
对于含有重金属离子的工业废水，可以利用某些化学物质作为沉淀剂，与金属离子反应生成沉淀而析出，从废水中分离。

例如，对于含有Hg2＋、Cu2＋、Pb2＋的废水，可向其中加入Na2S，使Hg2＋、Cu2＋、Pb2＋转化为沉淀而除去，反应为Hg2＋＋S2－===HgS↓、Cu2＋＋S2－===CuS↓、Pb2＋＋S2－===PbS↓。

[例2] 某地有甲、乙两工厂排放污水，污水中各含有下列8种离子中的四种(两厂不含相同离子)：Ag＋、Ba2＋、Fe3＋、Na＋、Cl－、SO2－4、NO－3、OH－。

两厂单独排放废水都会造成严重的水污染，如将两厂的污水按一定比例混合，沉淀后污水便变成无色澄清且只含NaNO3，污染程度会大大降低。

关于污染源的分析，你认为正确的是( )
A．SO2－4和NO－3可能来自同一工厂
B．Cl－和NO－3一定在不同工厂
C．Ag＋和Na＋可能在同一工厂
D．Na＋和NO－3来自同一工厂
[解析] 水污染是当今世界一个普遍问题，根据题意知，两厂各自的废水中心定不存在沉淀，且阴、阳离子同时存在。

若Ag＋在甲厂，则Cl－、SO2－4、OH－必在乙厂；那么Ba2＋、Fe3＋也得在甲厂中，否则将生成沉淀。

由于甲厂废水中不会都为阳离子，所以NO－
3必在甲厂废水中，阳离子Na＋必在乙厂废水中。

故Ag＋、Na＋不在同厂废水中，SO2－4、NO－3不在同厂废水中，Na＋、NO－3不在同厂废水中，因而B正确。

[答案] B
2．某河川遭受有机物污染严重，发生臭味，后来在污水处理系统完成后，严格执行污水排放制度，并向河水输送某种气体，使水质得到显著的改善(包括有利于恢复自然生态)。

试问输入河川的是何种气体( )
A．二氧化碳B．一氧化碳C．氯气
D．氧气E．氢气
答案：D
要点三海水淡化
海水中含有不少化学物质，不能直接饮用。

目前，淡化海水的方法已有十种之多，其中最为主要的有：
1．蒸馏法：蒸馏法虽然是一种古老的方法，但由于技术不断地改进与发展，该法至今仍占统治地位。

蒸馏淡化过程的实质就是水蒸气的形成过程，其原理如同海水受热蒸发形成云，云在一定条件下遇冷形成雨，而雨是不带咸味的。

2．电渗析法：该法的技术关键是新型离子交换膜的研制。

离子交换膜是0.5 mm～1.0 mm 厚度的功能性膜片，按其选择透过性区分为正离子交换膜(阳膜)与负离子交换膜(阴膜)。

电渗析法是将具有选择透过性的阳膜与阴膜交替排列，组成多个独立的间隔室，海水充满在各个间隔室中，在外加直流电场的作用下，海水中的阴、阳离子分别透过阴膜和阳膜，从而使一个间隔室的海水被淡化，而其相邻的间隔室的海水被浓缩，这样，淡水和浓缩海水被分离。

[例3] 以下是有关海水淡化的叙述，其中不正确的是( )
A．蒸馏法比电渗析法获得的淡水纯度高
B．蒸馏法比电渗析法获得的淡水纯度低
C．电渗析法所形成的浓水属于纯无用之水
D．电渗析法所形成的浓水可以再利用
[解析] 由于海水中的盐类沸点都很高，电渗析时离子的移动是有自由性的，所以蒸馏法比电渗析法获得的淡水纯度高。

电渗析法所形成的浓水又叫卤水，可从其中提取多种化工原料。

[答案] BC
3．海水约占地球现有总水量的97%，海水淡化问题成为科学家的主要研究方向。

下列淡化海水的方法不可行的是( )
A．加化学试剂，使海水中的盐分沉淀
B．利用太阳能，将海水蒸馏而去掉盐分
C．将海水通过离子交换树脂而除去盐分
D．利用半透膜，采用反渗透法而除掉盐分
解析：海水中Na＋等离子不能通过加化学试剂而沉淀，A项错误；B项为蒸馏法淡化海水；C项为电渗析法淡化海水；D项为反渗透法淡化海水。

答案：A
授课提示：对应学生用书第19页
1．污水处理的主要方法有：①中和法；②化学沉淀法；③氧化还原法；④过滤法。

其中属于化学方法的有( )
A．①②③B．①②④
C．②③④ D．①②③④
解析：本题考查了物质分离的方法。

中和法、化学沉淀法(加入化学试剂形成沉淀)和氧化还原法均属于化学方法，而过滤法是分离难溶性固体和液体的混合物的方法，为基本实验操作，所以选A。

答案：A
2．若实行海水淡化供应饮用水，下列方法在原理上完全不可行的是( )
A．用明矾使海水中的盐分沉淀而淡化
B．利用太阳能使海水蒸馏而淡化
C．将海水缓慢凝固以获取淡化的饮用水
D．将海水通过离子交换树脂，以除去所含盐分的离子
解析：海水淡化的方法：蒸馏法、电渗析法、离子交换法。

选项A，明矾的主要成分是KAl(SO4)2·12H2O，不能使海水中的盐沉淀出来，所以不能使海水淡化。

答案：A
3．下列说法正确的是( )
A．软水中一定不含Ca2＋、Mg2＋
B．硬水经煮沸后就一定变为软水了
C．水垢的主要成分是碳酸钙和氢氧化镁
D．经过磺化煤处理过的水是不含离子的超净水
解析：硬水与软水的区分是Ca2＋、Mg2＋含量的多与少，不是有与没有，故A项不对。

煮沸的方法是Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2的分解以及MgCO3转变为Mg(OH)2的过程，故C项对。

煮沸时能使含暂时硬度较高的硬水中的Ca2＋、Mg2＋浓度降低，但不一定能降低到软水中Ca2＋、Mg2＋的含量标准，更何况有的硬水中的硬度更多是由于永久硬度造成的，故B项不对。

磺化煤只能交换阳离子，水中还含有多种阴离子和交换出的大量Na＋，故D项不对。

答案：C
4．下列说法中，不正确的是( )
A．加热法只可软化暂时硬度的硬水
B．海水淡化的主要方法有蒸馏法和电渗析法等
C．反应2NaR＋Ca2＋===CaR2＋2Na＋的逆反应在一定条件下也能发生
D．硬水软化就是除净水中的Ca2＋和Mg2＋
解析：加热法只能软化具有暂时硬度的水[Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2受热可分解为CaCO3、Mg(OH)2而除去]，不能软化永久硬水。

硬水软化是指减少或除去水中的Ca2＋和Mg2＋，不能除净。

故D项不正确。

答案：D
5．洪涝地区欲将江河水转化为可饮用的水。

请排列下列合理的处理顺序________________________________________________________________________。

①化学沉降②消毒杀菌③自然沉降④加热煮沸
(1)铁酸钠(Na2FeO4)是水处理过程中使用的一种新型净水剂，它的氧化性比高锰酸钾还强，本身在水处理过程中还原成Fe3＋，同时达到①②两目的。

请解释其原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

(2)加热煮沸的目的是为了________________________________________________________________________，
最后使之转化为______________沉淀。

答案：③①②④
(1)①铁酸钠的强氧化性使之能杀菌消毒；②被还原生成的Fe3＋发生水解生成Fe(OH)3(胶体)，能吸附水中的悬浮物而起到净水的作用
(2)降低水中的暂时硬度Mg(OH)2、CaCO3。