【人教版】高中化学选修2：2.1《获取洁净的水》示范学案(含答案)

课题1 获取洁净的水
1．了解天然水净化的方法，掌握其化学原理。

2．了解污水处理的方法，掌握其化学原理。

3．知道化学在水处理中的应用和意义。

3月22日是第十八届“世界水日”，联合国确定世界水日的主题是“保障清洁水源，创造健康世界”。

3月22～28日是第二十三届“中国水周”，宣传主题为“严格水资源管理，保障可持续发展”。

全球半数以上住院患者染病与污水相关，并且每年有很多人死于与水相关的疾病。

因此，世界各国应加大投入，不仅注重水资源数量，更要提高质量，推动全社会形成关心水、亲近水、爱护水、节约水的良好风尚。

思考：地球实际上是个“水球”，水资源丰富，那么，我们为什么还要节约用水呢？
答案：地球表面面积约74%被液态和固态水所覆盖。

其中淡水约(含盐量小于0.1%)占全球总水量的2.5%；咸水(含盐量超过0.1%)约占全球总水量的97.5%。

我国是一个严重缺水的国家。

一、天然水的净化
1．混凝法
(1)定义：加入___________，使__________和___________聚集成较大的颗粒而沉淀，然后______除去的方法。

(2)工业生产中常用的混凝剂有：__________、___________、___________、________、______等。

(3)明矾净水原理。

明矾在水中发生电离：____________________；
Al3＋发生水解反应的化学方程式：__________________________。

①Al(OH)3在水中以________________存在，Al(OH)3胶体粒子带____电，水中的胶体杂质一般带__________电，通过________作用，使________聚沉。

②Al(OH)3胶体有较大的表面积，能吸附水中__________。

(4)获取生活用水。

混凝剂难以清除溶解于水中的________、__________和______。

获取生活用水的一般过程：__________―→__________―→__________。

自主思考：天然水中含有细菌，其主要成分是蛋白质。

你能举出几种在家中就能杀灭水中细菌的简单方法吗？
2．化学软化法
(1)天然水可分为硬水和软水。

硬水：含有______________________的水；
软水：含有________________或__________________的水。

(2)水的硬度可分为暂时硬度和永久硬度。

①暂时硬度：水的硬度是由__________或__________所引起的。

②永久硬度：水的硬度是由______和____的________或________等引起的。

天然水大多同时具有暂时硬度和永久硬度。

(3)硬水软化的方法。

①具有暂时硬度的水可用__________进行软化。

②具有永久硬度的水可采用__________和__________进行软化。

常用化学药剂有______和____________等。

自主思考：如何区分硬水和软水？
二、污水处理
1．污水处理方法
主要有____________、____________和____________等。

2．处理工业废水常用的化学方法
(1)中和法。

钢铁厂、电镀厂等产生的酸性废水可用____________中和；
造纸厂等产生的碱性废水可用______________或____________中和。

(2)沉淀法。

对于含有Hg2＋的废水，可向其中加入Na2S，离子方程式为____________。

自主思考：为什么用Na2S除去Hg2＋的同时，也能将水中所含的Pb2＋、Cu2＋等重金属离子除去？ 用离子方程式表示
三、海水淡化
海水淡化常用的方法有：______、__________、____________等。

其中______的历史最久，技术和工艺也比较成熟，但成本较高。

答案:一、1.(1)混凝剂细小的悬浮物胶体过滤
(2)明矾硫酸铝聚合铝硫酸亚铁硫酸铁
(3)KAl(SO4)2===K＋＋Al3＋＋2SO2－4Al3＋＋3H2O A l(OH)3＋3H＋①絮状的胶体形式正负电性吸引胶体杂质②悬浮的杂质
(4)有机物无机盐微生物混凝沉淀过滤杀菌
自主思考
提示：加热、加消毒剂、紫外线照射等。

2．(1)较多Ca2＋、Mg2＋少量Ca2＋、Mg2＋不含Ca2＋、Mg2＋
(2)Ca(HCO3)2 Mg(HCO3)2钙镁硫酸盐氯化物
(3)加热法药剂法离子交换法纯碱生石灰
自主思考
提示：可用两种方法。

①加入肥皂水振荡，有大量泡沫产生的是软水，泡沫很少且有沉淀产生的是硬水。

②加入饱和Na2CO3溶液，无沉淀产生的是软水，有沉淀产生的是硬水。

二、1.物理法生物法化学法
2．(1)熟石灰H2SO4 CO2 (2)Hg2＋＋S2－===HgS↓
自主思考
提示：Pb2＋＋S2－===PbS↓
Cu2＋＋S2－===CuS↓
三、蒸馏法电渗析法离子交换法蒸馏法
一、天然水的净化
1．混凝法
FeSO4·7H2O净水原理：FeSO4·7H2O溶于水得Fe2＋(aq)Fe3＋(aq)
Fe(OH)3，使水中的胶体杂质聚沉，同时吸附一些悬浮物而沉降，获得符合不同质量标准的水。

Fe(OH)2溶解度较大，混凝效果不好，应将Fe2＋氧化成Fe3＋，水解得到Fe(OH)3。

2．化学软化法
(1)天然水中的可溶性杂质。

①无机盐类：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，而雨水、河水、湖水中含Ca2＋、Mg2＋较少。

②有机物类。

③气体：如氧气、二氧化碳、二氧化硫等。

(2)硬水的软化方法。

①加热法(适用于降低水的暂时硬度)。

具有暂时硬度的水，经加热煮沸可使其软化，使其碳酸氢盐转化为难溶的碳酸盐。

其中值得注意的是：煮沸时分解形成的碳酸镁在继续受热的情况下生成更难溶解的Mg(OH)2。

Ca(HCO3)2CaCO3↓＋CO2↑＋H2O
Mg(HCO3)2MgCO3↓＋CO2↑＋H2O
MgCO3＋H2O Mg(OH)2↓＋CO2↑
②药剂法。

a．药剂：常用的化学药剂有纯碱、生石灰等；工业锅炉用水还常用磷酸盐处理。

b．适用范围：降低水的暂时硬度和永久硬度。

c．用石灰法软化硬水时，常和纯碱一起使用，目的是用纯碱除去过量的石灰，工业上称为石灰纯碱法，其基本原理为：
首先加入石灰乳[Ca(OH)2]：
Ca(HCO3)2＋Ca(OH)2===2CaCO3↓＋2H2O
Mg(HCO3)2＋2Ca(OH)2===2CaCO3↓＋Mg(OH)2↓＋2H2O
MgCl2＋Ca(OH)2===CaCl2＋Mg(OH)2↓(将由镁离子引起的硬度转化为由钙离子引起的硬度)
然后再加入纯碱(Na2CO3)：
Ca(OH)2＋Na2CO3===CaCO3↓＋2NaOH
CaCl2＋Na2CO3===CaCO3↓＋2NaCl
③离子交换法。

a．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，使水软化。

其工艺流程如下图所示。

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＋
离子交换法软化水示意图
b．适用范围：降低水的暂时硬度和永久硬度。

离子交换树脂使用一段时间后，由NaR型转化为CaR2(或MgR2)型后，就失去了交换能力。

可把失效后的离子交换树脂置于5%～8%的食盐水中，便可发生逆向交换反应，重新生成NaR，恢复交换能力，这个过程叫做再生：CaR2＋2Na＋===2NaR＋Ca2＋。

二、污水处理
污水处理的方法很多，一般可分为物理法、生物法和化学法等。

其中常用的化学法有：1．中和法
对于酸性废水和碱性废水，可以用中和法进行处理。

2．沉淀法
对于含有重金属离子(Hg2＋、Cu2＋、Pb2＋等)的工业废水，可以利用某些化学物质作为沉淀剂，与金属离子反应产生沉淀而析出，从而从废水中分离。

3．氧化还原法
利用氧化还原反应将有毒物质转化为无毒物质、难溶物质而除去。

例如处理含氰(CN－)废水：2CN－＋8OH－＋5Cl2===2CO2↑＋N2↑＋10Cl－＋4H2O。

再如处理含Cr2O2－7废水：酸性条件下在含铬废水中加入FeSO4，将Cr2O2－7还原为Cr3＋：Cr2O2－7＋6Fe2＋＋14H＋===2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O。

然后再加入熟石灰调节溶液的pH，使Cr3＋转变为Cr(OH)3沉淀而从废水中除去。

在实际处理工业废水时，根据污染物组成和回收用水水质要求的不同，经常需要采用多种技术分步处理。

知识点1 天然水的净化
【例题1】某综合实践活动小组到自来水厂进行参观，了解到天然水处理成自来水的工艺流程示意图如下：
(1)天然水中含Ca2＋、Mg2＋、HCO－3、Cl－等，加入CaO后生成Ca(OH)2，进而发生若干个复分解反应，试写出其中任意一个反应的离子方程式：____________________________。

(2)加入凝聚剂可以除去其中的悬浮固体颗粒，该过程是__________(填写下列各项的序号)。

①只有物理过程，无化学过程
②只有化学过程，无物理过程
③既有化学过程又有物理过程
FeSO4·7H2O是常用的凝聚剂，加入后最终生成红褐色胶状沉淀，则这种沉淀是__________。

(3)通入二氧化碳的目的是______________________和________________________。

(4)气体A的作用是__________________________________________。

(5)下列物质中，________________可以作为气体A的代替品。

(填写下列各项的序号)
①ClO2②浓氨水③SO2④浓硫酸
解析：由题意知：天然水中加入CaO后发生的复分解反应有：HCO－3＋OH－===CO2－3＋H2O、Ca2＋＋HCO－3＋OH－===CaCO3↓＋H2O、Ca2＋＋2HCO－3＋2OH－===CaCO3↓＋CO2－3＋2H2O、Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓，任意写出一个即可。

加入凝聚剂除去其中的悬浮固体颗粒，该过程既有胶体的吸附作用也有化学反应，所以既有化学过程又有物理过程。

FeSO4·7H2O加入后生成红褐色Fe(OH)3胶状沉淀。

通入二氧化碳的目的是除去钙离子并调节溶液酸度。

气体A应是氯气，其作用是杀菌消毒，所以可以找具有强氧化性的ClO2代替。

答案：(1)HCO－3＋OH－===CO2－3＋H2O
〔或Ca2＋＋HCO－3＋OH－===CaCO3↓＋H2O
或Ca2＋＋2HCO－3＋2OH－===CaCO3↓＋CO2－3＋2H2O或Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓〕
(2)③Fe(OH)3
(3)除去钙离子调节溶液酸度
(4)杀菌消毒
(5)①
点拨：本题以生产自来水的工艺流程为出发点，考查了离子反应、胶体性质、氯气的消毒原理等知识点，是一道综合性较强的实验流程题。

知识点2 污水处理
【例题2】某氮肥厂氨氮废水中的氮元素多以NH＋4和NH3·H2O的形式存在，该废水的处理流程如下：
(1)过程Ⅰ：加NaOH溶液，调节pH至9后，升温至30 ℃，通空气将氨赶出并回
收。

①用离子方程式表示加NaOH溶液的作用：____________________。

②用化学平衡原理解释通空气的目的：__________________________。

(2)过程Ⅱ：在微生物作用的条件下，NH＋4经过两步反应被氧化成NO－3。

两步反应的能量变化示意图如下：
①第一步反应是________(选填“放热”或“吸热”)反应，判断依据是________。

②1 mol NH＋4(aq)全部氧化成NO－3(aq)的热化学方程式是________。

(3)过程Ⅲ：一定条件下，向废水中加入CH3OH，将HNO3还原成N2。

若该反应消耗32
g CH3OH时转移6 mol电子，则参加反应的还原剂和氧化剂的物质的量之比是________。

解析：(1)NH＋4＋OH－===NH3·H2O，且NH3·H2O受热易分解，故升温时，NH3逸出。

废水中的NH3被空气带出，使NH3·H2O NH3＋H2O的平衡向正反应方向移动。

(2)第一步反应的热化学方程式NH＋4(aq)＋1.5O2(g)===NO－2(aq)＋2H＋(aq)＋H2O(l) ΔH＝－273 kJ·mol－1，第二步反应的热化学方程式NO－2(aq)＋0.5O2(g)===NO－3(aq) ΔH＝－73 kJ·mol－1，上述两式相加即得②的答案。

(3)1 mol CH3OH转移6 mol电子，升高6价，HNO3中N元素降低5价，所以还原剂与氧化剂的物质的量之比为5∶6。

答案：(1)①NH＋4＋OH－===NH3·H2O
②废水中的NH3被空气带走，使NH3·H2O NH3＋H2O的平衡向正反应方向移动，
利于除氨
(2)①放热ΔH＝－273 kJ·mol－1<0(反应物的总能量大于生成物的总能量)
②NH＋4(aq)＋2O2(g)===2H＋(aq)＋NO－3(aq)＋H2O(l) ΔH＝－346 kJ·mol－1
(3)5∶6
点拨：本题以废水处理为题材，考查平衡移动、热化学方程式、氧化还原等知识，较好地体现了化学与环保的密切联系及污水处理的重要性和必要性。

1 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
2 “十一五”期间，合肥市投巨资建设多座污水处理厂，改善巢湖水质环境。

已知污水处理的主要方法如下，其中属于化学方法的有( )。

①中和法②化学沉淀法③氧化还原法④过滤法
A．①②③B．①②④C．②③④D．①②③④
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膜而除去盐分
D．利用半透膜，采用反渗透法而除掉盐分
答案:1．C 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，而且有的硬水的硬度更多是由永久硬度造成的，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。

2．A 中和法、化学沉淀法、氧化还原法显然属于化学方法，而过滤法是利用物质溶解性的不同，分离难溶性固体和液体混合物的方法。

3．A 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。