探究家庭中清除水垢的最佳方法

孟凡宇 王兴辉 赵红艳

水垢形成是我们在日常生活中经常遇到的一种现象.由于日常生活中所用的自来水都是硬水（含有较多Ca2+和Mg2+的水），这类硬水当遇到温度变化时，特别是当高温煮沸时，就会形成难溶解的钙镁化合物.这些物质达到一定的浓度时，就会形成固体沉淀下来，附着在发热体表面，于是就形成了水垢.水壶是每个家庭的生活必需品，不少人家的水壶已经使用了多年，里面的水垢也存在着不同程度的积累.很多家庭往往会忽视水垢的清除，觉得影响不大，其实不然.如果不经常清除水垢，小则损坏水壶，浪费能源，大则影响到人们的身体健康.尤其对于儿童和老年人，其危害更大.本文介绍运用目前所学的化学知识来验证水垢的主要成分，并根据现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、实验构想

实验1：

1.根据Ca（OH）2微溶于水的性质，在水垢滤液中加入Na2CO3溶液反应，看是否有CaCO3生成.Na2CO3+Ca（OH）2CaCO3↓+2NaOH

2.根据MgCO3微溶于水的性质，在水垢滤液中滴加稀盐酸反应，验证是否有气体产生.MgCO3+2HClMgCl2+CO2↑+H2O

3.根据CaCO3与稀盐酸反应的原理，验证在水垢中滴加稀盐酸是否有气体产生.CaCO3+2HClCaCl2+H2O+CO2↑

4.根据Mg（OH）2与稀盐酸反应生成氯化镁，氯化镁与氢氧化钠反应又生成Mg（OH）2的原理，验证水垢中是否含Mg（OH）2.

Mg（OH）2+2HClMgCl2+H2O

MgCl2+2NaOHMg（OH）2+2NaCl

再通过将阴离子全部转换为碳酸根，并将其沉淀，过滤得到滤渣，看固体质量是否改变.

实验2：

1.在同等质量的水垢中分别加入配制好的适量稀盐酸（HCl）、柠檬酸（C6H8O7）、白醋（CH3COOH）、小苏打（NaHCO3）、草酸（H2C2O4）等五种溶液，观察实验现象，记录实验结果.

2.将上述实验过程做进一步加热处理，观察实验现象，记录实验结果.

3.查阅资料，研究稀盐酸、柠檬酸、白醋、小苏打、草酸这五种物质对人体危害性的大小.结合上述实验结果，通过比较，得出最终实验结论.

二、实验过程

实验1：

1.实验仪器：药匙、试管、研钵、烧杯、胶头滴管、铁架台、漏斗、滤纸、玻璃棒、电子天平、试管夹.

2.实验试剂：水垢、稀盐酸、蒸馏水、澄清石灰水、Na2CO3溶液、Na（OH）2溶液.

3.实验步骤：

（1）在适量研碎的水垢中加入适量的蒸馏水，充分搅拌，过滤.取少量滤液于试管中，向试管中加入Na2CO3溶液，观察实验现象，得出实验结果.

（2）取少量滤液于试管中，向试管中加入稀盐酸，观察实验现象，验证实验是否产生气体，得出实验结果.

（3）取三药匙水垢加入试管中.先加入稀盐酸，再将生成的气体通入到澄清的石灰水中.观察实验现象，验证实验所产生的气体，得出实验结果.

（4）取试管中上层清液少许于试管中，加氢氧化钠溶液，观察实验现象，得出实验结果.

（5）称取一定量的水垢，记录其质量m1，加入试管中.加入过量稀盐酸至沉淀完全消失，然后加入过量浓Na2CO3溶液.再将溶液过滤，得到一定量的沉淀，测定其质量m2.

4.实验现象与结果：

（1）没有白色沉淀产生，水垢中不含Ca（OH）2；

（2）没有气泡产生，水垢中没有MgCO3；

（3）有气泡产生，将生成的气体通入澄清石灰水后澄清石灰水变浑浊，水垢中有CaCO3；

（4）产生白色沉淀；

（5）测定质量m1大于m2，则由此可推知水垢中含Mg（OH）2.

注：碳酸镁是微溶于水的，Mg（OH）2的浓度积远小于MgCO3，所以Mg（OH）2的沉淀形式更稳定，不容易被水分子水合电离.水垢中存在氢氧化镁而不是碳酸镁.

实验2：

1.实验仪器：电子天平、药匙、试管、烧杯、胶头滴管、酒精灯、试管夹.

2.实验试剂：水垢、稀盐酸（6%）、蒸馏水、石灰水、柠檬酸、白醋（10%）、小苏打、草酸.

3.实验步骤：

（1） 称取6份相同质量（1g）的水垢，分别放入6个试管①②③④⑤⑥中.

（2）配置等量的小苏打（饱和）、柠檬酸（10%）、草酸（10%）、白醋、稀盐酸溶液，分别加入上述5个试管①②③④⑤中.试管⑥中加入等量蒸馏水，静置片刻.观察实验现象.

（3）用酒精灯分别加热试管①②③④⑥片刻，观察实验现象.

（4）将上述试管搁置6小时后，观察试管内水垢的變化.

4.实验现象：

（1）步骤2中，试管⑤内的水垢溶解迅速，并产生大量气泡，1分钟后水垢完全溶解.试管④中产生大量气泡，1分钟后水垢明显减少.试管②中有气泡产生，仍有较多沉淀，但沉淀开始从大颗粒变为小颗粒.试管③中产生少量气泡，沉淀较多.试管①⑥无明显现象.

（2）步骤3中，试管④较未加热时反应剧烈，产生大量气泡，水垢溶解速度加快.停止加热后水垢只有少量剩余.试管①中溶液沸腾，水垢溶解加快，但无气泡生成.试管②中有大量气泡产生，停止加热后水垢由块状大颗粒基本上转换为粉末状小颗粒.试管③中也有少量气泡产生，停止加热后沉淀较多.试管⑥无明显变化.

（3）步骤4中，试管③内水垢未完全溶解.试管①内水垢有所减少，且颗粒变小.试管②内水垢虽未完全溶解，但基本上变为小颗粒状.试管④内水垢基本溶解完.试管⑤内水垢完全溶解.试管⑥无明显变化.

5.实验结果：

（1）稀盐酸清除水垢的效果最好，清除得又快又彻底.

（2）其次是白醋，在加热情况下，效果接近于稀盐酸.

（3）草酸除垢效果差于稀盐酸与白醋.在加热情况下，除垢效果要略微好一些.

（4）柠檬酸除垢效果差于稀盐酸，其反应的生成物柠檬酸钙和柠檬酸镁微溶于水，因而沉淀不消失.但柠檬酸钙和柠檬酸镁溶于酸，因此在柠檬酸过量的情况下，沉淀将减少.此外，由于柠檬酸钙和柠檬酸镁在清水中虽为沉淀，但其颗粒较小，不易附着于容器表面，便于清洗.

注：任何难溶盐沉淀在水中后都有一定的溶解度.对于金属离子的弱酸盐沉淀，其溶解度还随PH值的变化而变化，这可以从平衡移动的原理得到解释：柠檬酸是一个三元弱酸，0.1mol/L水溶液的PH值约为2.1.如果氯化钙加到这样高酸度的柠檬酸溶液中，由于此时对于三元弱酸柠檬酸，溶液中的柠檬酸根的浓度是非常低的（总浓度是0.1mol/L时，柠檬酸根的浓度约为4.8×10-10mol/L），与钙离子的浓度幂的积小于溶度积常数，因而不会沉淀.这种因PH值降低而导致沉淀溶解度增大或不沉淀的现象，叫作沉淀溶解平衡的酸效应.此外，柠檬酸与钙还可以生成络合物，这也导致沉淀溶解度增大甚至不沉淀.这被叫作络合效应.

（5）小苏打除垢的效果较上述四种物质都差，且不与Mg（OH）2反應.在加热情况下，能够加速其与水垢成分的反应速率.

三、实验结论

1.本实验所用除垢剂的化学危害性分析.

（1）稀盐酸具有强酸性，有刺激性气味，腐蚀性强.若使用不当，可能造成水壶的损坏.因此，稀盐酸不适宜用于家庭生活用品如水壶中水垢的清除.

（2）草酸，有机酸中的强酸，但有毒，对皮肤、黏膜有刺激及腐蚀作用，极易经表皮、黏膜吸收而引起中毒.空气中最高容许浓度为1mg/m3.因此，草酸不适宜用于家庭生活用品如水壶中水垢的清除.

（3）柠檬酸，一种较强的有机酸，广泛应用于食品、医药等领域.因此，柠檬酸可用于家庭生活用品如水壶中水垢的清除.

（4）白醋，主要成分是醋酸，是家庭中常用的烹调佐料，易于获取.因此，白醋最适用于家庭生活用品如水壶中水垢的清除.

（5）小苏打，其中食用小苏打可用于日常食品的加工.因此，小苏打可应用于家庭生活用品如水壶中水垢的清除.但其除垢能力不强.

2.本实验结论.

（1）柠檬酸、白醋、小苏打可用于家庭生活用品如水壶中水垢的清除；

（2）在加热条件下，上述三者的除垢效果要优于非加热条件下；

（3）白醋的除垢效果要优于柠檬酸、小苏打；

（4）白醋是家庭生活中的常用品，易于获得，因此用白醋（在加热条件下）进行除垢是家庭中清除水垢的最佳方式.

四、生活实践

在有水垢的水壶中加入清水，加入适量的白醋，加热煮沸一段时间后冷却.放置6至8小时，然后用清水冲洗干净，并用洁净布片擦拭，水壶中的水垢即可被清除.