中学化学中的两种硬度

石其俊

化学是一门使人类生活更加美好的基础学科，在课程改革的推动下，新的化学教材增加了化学与生活、化学与可持续发展、化学与环境保护的内容。例如人教版九年级化学教材就新增加硬水、软水、水的硬度等概念，解释了用自来水洗衣物为什么既浪费肥皂又洗不干净。此外，在介绍碳单质时较为详实地讲到了金刚石是天然存在的最硬的物质，而石墨很软有滑腻感等知识，目的是使学生建立微观结构决定性质，性质又决定用途的理念。在高中化学教材中讲到金属的物理性质时，直接列表给出了14种金属的硬度值，使固体硬度的概念由定性比较上升到定量量度。下面我们对化学中的两种硬度做进一步深讨，以期对教学工作有所帮助。

一、水的硬度

1.硬水和软水

自然界中的水都不是纯水，即使是经过净化的自来水蒸干后也会留下杂质的痕迹。在化学上，把含有较多可溶性钙、镁化合物的水叫做硬水，不含或含较少可溶性钙、镁化合物的水叫软水。更确切地说就是含有较多钙、镁离子的水叫硬水，反之叫软水。如果水中的可溶性钙、镁化合物是Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2，煮沸时因生成CaCO3和Mg（OH）2沉淀可除去Ca2+、Mg2+离子，这种硬水叫暂时硬水，如果含其他可溶性钙镁的盐，煮沸时不能除去Ca2+、Mg2+，则称为永久硬水。其实天然水中可溶物更多的是钠盐和钾盐，那么人们为什么唯独对Ca2+、Mg2+另眼看待呢？原因主要是在生产、生活中使用硬水会给人们带来麻烦。例如，用硬水烧锅炉会因生成水垢多消耗燃料，水垢出现裂缝使锅炉内管道受热不均，轻者管道变形损坏，重者引起锅炉爆炸。此外水中的Ca2+、Mg2+对酿造、印染、制药等行业都是有害的，所以工业用水常常要除掉Ca2+、Mg2+，在北方，如果有机会去居民小区烧暖气的锅炉房参观一下，就会对硬水的软化有更深的体会。

2.硬度的标准

为了定量表示水的硬度，将所测得的钙、镁折算成CaO的质量，通常把1L水中含有10 mg CaO称为1度，在这一规定中CaO和MgO的质量为什么不同呢？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+的物质的量相同，又因Ca2+、Mg2+都是+2价阳离子，在用化学方法除去Ca2+、Mg2+时必然消耗等量的软化剂，可以说10 mg CaO与7.14 mg MgO是等效的，彼此相当的。在计算时，水的硬度是Ca2+产生的硬度和Mg2+产生的硬度之和。例如，经测定1L某水样中含100 mg CaO和35.7 mg MgO，则水的总硬度等于10010+35.77.14=15（度）。从另一角度来看，水的总硬度又等于暂时硬度和永久硬度之和，一般来说，自然界的水硬度不超过30度，习惯上认定超过8度的水为硬水，低于8度的水为软水。锅炉用水必须软化，软化后不得超过1度。

除上述标准外，还可将水中Ca2+、Mg2+折算成CaCO3的质量（mg）计量，例如自来水中CaCO3不得超过450mg/L。

3.软化不是净化

在生产上，硬水的软化有石灰纯碱法、磷酸盐法和离子交换法等，但无论哪种方法都是水中Ca2+、Mg2+减少了，Na+增多了，只是因为钠盐总是可溶的，不会形成水垢，即使含量超过2 g/L，仍然可以作为锅炉用水，所以软化不是净化，软水也不是纯水。

二、固体的硬度

1.摩氏硬度

物质对外来机械作用的抵抗程度称为硬度，它是固态物质的一种物理性质。怎样定量比较物质的硬度呢？早在1822年奥地利矿物学家摩氏就选择了10种比较常见的矿物做为硬度的10个等级来计量物质的硬度，这10种矿物由软到硬的顺序是：①滑石②石膏③方解石④萤石⑤磷灰石⑥正长石⑦石英⑧黄玉⑨刚玉⑩金刚石，凡排在后面的矿物都能用其尖端在前面的矿物上划出刻痕来。在测定某种物质的硬度时，将被测物和上述标准物互相刻划，就可得出被测物的硬度值。例如锌片和方解石相互刻划时，锌片上留下刻痕，当用锌片和石膏相互刻划时，石膏上留下痕迹，说明锌比石膏硬、比方解石软，其硬度值应在2和3之间，约为2.5。利用这种方法我们可以得出手指甲的硬度约为2，Cu和Al为3，Fe等于4，钢在5和5.5之间，玻璃为6，由于硬度大于7的物质是比较少见的，所以在测定常见物质的硬度时，可以不用上述的标准物，只要用指甲、钥匙、铁钉、小刀、碎玻璃片就可以了。

2.布氏硬度

上面所谈的摩氏硬度又叫刻划硬度，因为测定方法简便，所以在地质工作中被广泛采用，在化学教材中也常做为比较物质软硬的标准（如高中课本的金属硬度表）。但摩氏硬度是以天然矿物为等级，而这些矿物的硬度差并不一致，因此不能精确地表示硬度的绝对大小。在工业生产中又常采用布氏硬度做为计量标准。布氏硬度是通过仪器用3000N的力把一个经淬火的钢球压入被测物中，再根据压痕的直径计算出来的，压痕越大，硬度越小，所以布氏硬度又称压入硬度，能更精确地表示金属材料的硬度。

3.硬度与微观结构的联系

物质的宏观性质是微观结构的反映，结构决定性质。

不同类型的晶体，其硬度常常有很大的区别。原子晶体是由原子通过共价键结合而成的，分子晶体是由分子通过分子间作用力结合而成的，由于共价键比分子间作用力高1-2个数量级，所以原子晶体比分子晶体硬得多，摩氏硬度值都在7-10之间，而分子晶体的磷的硬度只1左右。在已知物质中，金刚石的硬度最大，这是由于碳原子半径小，共价键的键能大，方向性强，破坏这样的共价键或使键角扭曲会受到极大的阻力。

离子晶体的硬度一般也比较大，根据库仑定律，离子间的静电力与离子电荷的乘积成正比，与核间距的平方成反比，所以当离子电荷相同时，离子半径之和越大，硬度越小。如MgO的硬度为6.5，CaO仅4.5。当离子半径之和相近时，离子电荷越高，硬度越大，如MgO的硬度大于NaF（3，2），由于上述原因，在离子晶体中Al2O3（刚玉）的硬度最大。

金属晶体的硬度决定于金属键的强弱，由于金属原子的半径和未成对电子数差别很大，所以各种金属的硬度有着明显的不同。从高中教材查得钠的硬度仅为0.4，用小刀可以轻易地切割，与钠同样只有1个最外层电子，半径比Na大的Cs，硬度应比Na小，事实与上述推测一致，其硬度仅为0.2。ⅥB族元素未成对电子数量多（6个），其中Cr的原子半径最小，因此在金属中Cr的硬度最大，与刚玉相当。

具有层状结构的过渡型晶体，如滑石、石膏、云母、石墨在相互刻划时，层与层之间容易滑动，所以硬度很小。石墨在纸上能留下黑色划痕，可用来制鉛笔。铅笔芯的硬度可用掺入黏土的比率来调节，硬度用H、B表示，最软的是6B，最硬的是6H，考试涂卡时，用2B铅笔效果最佳。

中学化学中的两种硬度，其内涵和外延完全不同，好在运用硬度概念表述问题时，由于语言环境的不同不会造成混淆。

（收稿日期：2017-04-15）endprint