中學化學中的兩種硬度

石其俊

化學是一門使人類生活更加美好的基礎學科，在課程改革的推動下，新的化學教材增加了化學與生活、化學與可持續(xù)發(fā)展、化學與環(huán)境保護的內容。例如人教版九年級化學教材就新增加硬水、軟水、水的硬度等概念，解釋了用自來水洗衣物為什么既浪費肥皂又洗不干凈。此外，在介紹碳單質時較為詳實地講到了金剛石是天然存在的最硬的物質，而石墨很軟有滑膩感等知識，目的是使學生建立微觀結構決定性質，性質又決定用途的理念。在高中化學教材中講到金屬的物理性質時，直接列表給出了14種金屬的硬度值，使固體硬度的概念由定性比較上升到定量量度。下面我們對化學中的兩種硬度做進一步深討，以期對教學工作有所幫助。

一、水的硬度

1.硬水和軟水

自然界中的水都不是純水，即使是經過凈化的自來水蒸干后也會留下雜質的痕跡。在化學上，把含有較多可溶性鈣、鎂化合物的水叫做硬水，不含或含較少可溶性鈣、鎂化合物的水叫軟水。更確切地說就是含有較多鈣、鎂離子的水叫硬水，反之叫軟水。如果水中的可溶性鈣、鎂化合物是Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2，煮沸時因生成CaCO3和Mg（OH）2沉淀可除去Ca2+、Mg2+離子，這種硬水叫暫時硬水，如果含其他可溶性鈣鎂的鹽，煮沸時不能除去Ca2+、Mg2+，則稱為永久硬水。其實天然水中可溶物更多的是鈉鹽和鉀鹽，那么人們?yōu)槭裁次í殞a2+、Mg2+另眼看待呢？原因主要是在生產、生活中使用硬水會給人們帶來麻煩。例如，用硬水燒鍋爐會因生成水垢多消耗燃料，水垢出現(xiàn)裂縫使鍋爐內管道受熱不均，輕者管道變形損壞，重者引起鍋爐爆炸。此外水中的Ca2+、Mg2+對釀造、印染、制藥等行業(yè)都是有害的，所以工業(yè)用水常常要除掉Ca2+、Mg2+，在北方，如果有機會去居民小區(qū)燒暖氣的鍋爐房參觀一下，就會對硬水的軟化有更深的體會。

2.硬度的標準

為了定量表示水的硬度，將所測得的鈣、鎂折算成CaO的質量，通常把1L水中含有10 mg CaO稱為1度，在這一規(guī)定中CaO和MgO的質量為什么不同呢？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+的物質的量相同，又因Ca2+、Mg2+都是+2價陽離子，在用化學方法除去Ca2+、Mg2+時必然消耗等量的軟化劑，可以說10 mg CaO與7.14 mg MgO是等效的，彼此相當的。在計算時，水的硬度是Ca2+產生的硬度和Mg2+產生的硬度之和。例如，經測定1L某水樣中含100 mg CaO和35.7 mg MgO，則水的總硬度等于10010+35.77.14=15（度）。從另一角度來看，水的總硬度又等于暫時硬度和永久硬度之和，一般來說，自然界的水硬度不超過30度，習慣上認定超過8度的水為硬水，低于8度的水為軟水。鍋爐用水必須軟化，軟化后不得超過1度。

除上述標準外，還可將水中Ca2+、Mg2+折算成CaCO3的質量（mg）計量，例如自來水中CaCO3不得超過450mg/L。

3.軟化不是凈化

在生產上，硬水的軟化有石灰純堿法、磷酸鹽法和離子交換法等，但無論哪種方法都是水中Ca2+、Mg2+減少了，Na+增多了，只是因為鈉鹽總是可溶的，不會形成水垢，即使含量超過2 g/L，仍然可以作為鍋爐用水，所以軟化不是凈化，軟水也不是純水。

二、固體的硬度

1.摩氏硬度

物質對外來機械作用的抵抗程度稱為硬度，它是固態(tài)物質的一種物理性質。怎樣定量比較物質的硬度呢？早在1822年奧地利礦物學家摩氏就選擇了10種比較常見的礦物做為硬度的10個等級來計量物質的硬度，這10種礦物由軟到硬的順序是：①滑石②石膏③方解石④螢石⑤磷灰石⑥正長石⑦石英⑧黃玉⑨剛玉⑩金剛石，凡排在后面的礦物都能用其尖端在前面的礦物上劃出刻痕來。在測定某種物質的硬度時，將被測物和上述標準物互相刻劃，就可得出被測物的硬度值。例如鋅片和方解石相互刻劃時，鋅片上留下刻痕，當用鋅片和石膏相互刻劃時，石膏上留下痕跡，說明鋅比石膏硬、比方解石軟，其硬度值應在2和3之間，約為2.5。利用這種方法我們可以得出手指甲的硬度約為2，Cu和Al為3，F(xiàn)e等于4，鋼在5和5.5之間，玻璃為6，由于硬度大于7的物質是比較少見的，所以在測定常見物質的硬度時，可以不用上述的標準物，只要用指甲、鑰匙、鐵釘、小刀、碎玻璃片就可以了。

2.布氏硬度

上面所談的摩氏硬度又叫刻劃硬度，因為測定方法簡便，所以在地質工作中被廣泛采用，在化學教材中也常做為比較物質軟硬的標準（如高中課本的金屬硬度表）。但摩氏硬度是以天然礦物為等級，而這些礦物的硬度差并不一致，因此不能精確地表示硬度的絕對大小。在工業(yè)生產中又常采用布氏硬度做為計量標準。布氏硬度是通過儀器用3000N的力把一個經淬火的鋼球壓入被測物中，再根據壓痕的直徑計算出來的，壓痕越大，硬度越小，所以布氏硬度又稱壓入硬度，能更精確地表示金屬材料的硬度。

3.硬度與微觀結構的聯(lián)系

物質的宏觀性質是微觀結構的反映，結構決定性質。

不同類型的晶體，其硬度常常有很大的區(qū)別。原子晶體是由原子通過共價鍵結合而成的，分子晶體是由分子通過分子間作用力結合而成的，由于共價鍵比分子間作用力高1-2個數量級，所以原子晶體比分子晶體硬得多，摩氏硬度值都在7-10之間，而分子晶體的磷的硬度只1左右。在已知物質中，金剛石的硬度最大，這是由于碳原子半徑小，共價鍵的鍵能大，方向性強，破壞這樣的共價鍵或使鍵角扭曲會受到極大的阻力。

離子晶體的硬度一般也比較大，根據庫侖定律，離子間的靜電力與離子電荷的乘積成正比，與核間距的平方成反比，所以當離子電荷相同時，離子半徑之和越大，硬度越小。如MgO的硬度為6.5，CaO僅4.5。當離子半徑之和相近時，離子電荷越高，硬度越大，如MgO的硬度大于NaF（3，2），由于上述原因，在離子晶體中Al2O3（剛玉）的硬度最大。

金屬晶體的硬度決定于金屬鍵的強弱，由于金屬原子的半徑和未成對電子數差別很大，所以各種金屬的硬度有著明顯的不同。從高中教材查得鈉的硬度僅為0.4，用小刀可以輕易地切割，與鈉同樣只有1個最外層電子，半徑比Na大的Cs，硬度應比Na小，事實與上述推測一致，其硬度僅為0.2。ⅥB族元素未成對電子數量多（6個），其中Cr的原子半徑最小，因此在金屬中Cr的硬度最大，與剛玉相當。

具有層狀結構的過渡型晶體，如滑石、石膏、云母、石墨在相互刻劃時，層與層之間容易滑動，所以硬度很小。石墨在紙上能留下黑色劃痕，可用來制鉛筆。鉛筆芯的硬度可用摻入黏土的比率來調節(jié)，硬度用H、B表示，最軟的是6B，最硬的是6H，考試涂卡時，用2B鉛筆效果最佳。

中學化學中的兩種硬度，其內涵和外延完全不同，好在運用硬度概念表述問題時，由于語言環(huán)境的不同不會造成混淆。

（收稿日期：2017-04-15）endprint