Trắc nghiệm Cánh diều Hóa học 12 bài 19: Nước cứng và làm mềm nước cứng

Tính cứng của nước là do sự có mặt của các ion kim loại hóa trị II, chủ yếu là Ca$^{2+}$ và Mg$^{2+}$. Các ion kim loại kiềm như Na$^{+}$, K$^{+}$, Li$^{+}$ không gây ra tính cứng cho nước. Kết luận: Ion Ca$^{2+}$ khi có mặt trong nước sẽ gây ra tính cứng.

Đun sôi chỉ làm mềm nước cứng tạm thời. Cho Ca(OH)$_2$ làm mềm nước cứng tạm thời và một phần nước cứng vĩnh cửu. Cho Na$_2$CO$_3$ làm mềm cả hai loại nước cứng. Phương pháp trao đổi ion cũng có thể loại bỏ hoàn toàn ion Ca$^{2+}$ và Mg$^{2+}$. Do đó, dùng phương pháp trao đổi ion hoặc cho Na$_2$CO$_3$ vào nước là các phương pháp có thể loại bỏ hoàn toàn ion Ca$^{2+}$ và Mg$^{2+}$. Kết luận: Để loại bỏ hoàn toàn ion Ca$^{2+}$ và Mg$^{2+}$ khỏi nước, người ta có thể dùng phương pháp trao đổi ion hoặc cho Na$_2$CO$_3$ vào nước.

Nước cứng chứa các ion Ca$^{2+}$ và Mg$^{2+}$. Khi đun nóng, các muối hidrocacbonat của Ca$^{2+}$ và Mg$^{2+}$ (gây cứng tạm thời) bị phân hủy tạo kết tủa cacbonat, gây đóng cặn. Các ion Ca$^{2+}$ và Mg$^{2+}$ phản ứng với xà phòng tạo kết tủa, làm giảm khả năng tạo bọt. Đun sôi nước cứng tạm thời làm kết tủa các cacbonat, do đó làm mềm nước. Cả ba nhận định đều đúng. Kết luận: Tất cả các nhận định trên về nước cứng đều đúng.

Nước mềm là nước có hàm lượng các ion Ca$^{2+}$ và Mg$^{2+}$ thấp hoặc không có. Nước cứng là nước có hàm lượng các ion này cao. Kết luận: Nước chứa ít hoặc không chứa ion Ca$^{2+}$ và Mg$^{2+}$ là nước mềm.

Khi đun sôi nước cứng tạm thời, các muối hidrocacbonat của Ca$^{2+}$ và Mg$^{2+}$ bị phân hủy: Ca(HCO$_3$)$_2$ $\xrightarrow{t^o}$ CaCO$_3$↓ + CO$_2$↑ + H$_2$O và Mg(HCO$_3$)$_2$ $\xrightarrow{t^o}$ MgCO$_3$↓ + CO$_2$↑ + H$_2$O. CaCO$_3$ và MgCO$_3$ là các chất kết tủa. Kết luận: Khi đun sôi nước cứng tạm thời, ion Ca$^{2+}$ và Mg$^{2+}$ bị kết tủa dưới dạng cacbonat do các ion hidrocacbonat bị phân hủy.

Nước cứng tạm thời là nước có chứa các ion Ca$^{2+}$ hoặc Mg$^{2+}$ cùng với các anion hidrocacbonat (HCO$_3^-$). Nước cứng vĩnh cửu chứa các ion Ca$^{2+}$ hoặc Mg$^{2+}$ cùng với các anion không chứa gốc cacbonat như SO$_4^{2-}$, Cl$^{-}$. Nước mềm có hàm lượng Ca$^{2+}$ và Mg$^{2+}$ thấp. Nước cất là nước tinh khiết. Kết luận: Nước có chứa ion Ca$^{2+}$ và HCO$_3^-$ được gọi là nước cứng tạm thời.

Ban đầu nước có MgSO$_4$ và Ca(HCO$_3$)$_2$. Cho Ca(OH)$_2$ vào: Ca(OH)$_2$ + Ca(HCO$_3$)$_2$ $\rightarrow$ 2CaCO$_3$↓ + 2H$_2$O và Ca(OH)$_2$ + Mg$^{2+}$ $\rightarrow$ Mg(OH)$_2$↓ + Ca$^{2+}$. Nếu Ca(OH)$_2$ dư, có thể còn Ca$^{2+}$ và OH$^{-}$. Tuy nhiên, phản ứng chính là loại bỏ Mg$^{2+}$ và Ca$^{2+}$ từ HCO$_3^-$. Phản ứng với MgSO$_4$: Ca(OH)$_2$ + MgSO$_4$ $\rightarrow$ CaSO$_4$ + Mg(OH)$_2$↓. Nếu Ca(OH)$_2$ là vừa đủ, nó sẽ kết tủa Mg$^{2+}$ dưới dạng Mg(OH)$_2$ và kết tủa CaCO$_3$ từ Ca(HCO$_3$)$_2$. Ion SO$_4^{2-}$ vẫn còn trong dung dịch. Nếu Ca(OH)$_2$ dư, sẽ còn Ca$^{2+}$ và OH$^{-}$. Nếu Mg(OH)$_2$ kết tủa, thì còn lại Mg$^{2+}$ nếu Ca(OH)$_2$ không đủ. Tuy nhiên, Ca(OH)$_2$ kết tủa Mg$^{2+}$ tốt hơn Ca$^{2+}$. Câu hỏi nói vừa đủ, nên có thể hiểu là đủ để phản ứng với các muối gây cứng. Phản ứng với Ca(HCO$_3$)$_2$ tạo CaCO$_3$ và nước. Phản ứng với MgSO$_4$ tạo Mg(OH)$_2$ và CaSO$_4$. Nếu vừa đủ để làm mềm, thì có thể loại bỏ hết Ca$^{2+}$ và Mg$^{2+}$. Tuy nhiên, nếu chỉ xét phản ứng với Ca(HCO$_3$)$_2$, thì Ca$^{2+}$ từ Ca(OH)$_2$ tạo CaCO$_3$, HCO$_3^-$ bị trung hòa. Với MgSO$_4$, Ca(OH)$_2$ tạo Mg(OH)$_2$↓ và CaSO$_4$. Nếu Ca(OH)$_2$ vừa đủ, nó sẽ phản ứng hết. Ion SO$_4^{2-}$ còn lại. Ion Mg$^{2+}$ cũng bị kết tủa. Tuy nhiên, nếu Ca(OH)$_2$ dư thì sẽ có Ca$^{2+}$ và OH$^{-}$. Nếu Ca(OH)$_2$ thiếu, thì còn Mg$^{2+}$ và Ca$^{2+}$. Cách diễn đạt vừa đủ gây khó hiểu. Xét trường hợp phổ biến là làm mềm nước cứng tạm thời và một phần vĩnh cửu. Ca(OH)$_2$ kết tủa Mg$^{2+}$ và Ca$^{2+}$ từ hidrocacbonat. Ion SO$_4^{2-}$ không bị kết tủa bởi Ca(OH)$_2$ (CaSO$_4$ tan). Nếu Ca(OH)$_2$ là vừa đủ để kết tủa Mg$^{2+}$ dưới dạng Mg(OH)$_2$, thì vẫn còn Mg$^{2+}$ và SO$_4^{2-}$ nếu chưa đủ. Tuy nhiên, Ca(OH)$_2$ phản ứng với MgSO$_4$ tạo Mg(OH)$_2$↓ và CaSO$_4$. Nếu Ca(OH)$_2$ vừa đủ, nó sẽ kết tủa Mg$^{2+}$ và loại bỏ Ca$^{2+}$ từ HCO$_3^-$. Vậy có thể còn Mg$^{2+}$ hoặc Ca$^{2+}$ tùy tỷ lệ và độ tan. Nhưng Mg$^{2+}$ sẽ kết tủa trước dưới dạng Mg(OH)$_2$. Nếu vừa đủ thì còn Mg$^{2+}$ và SO$_4^{2-}$. Tuy nhiên, đáp án 4 là Mg$^{2+}$, SO$_4^{2-}$, OH$^{-}$. Điều này có nghĩa là Ca(OH)$_2$ là vừa đủ để kết tủa hết Ca$^{2+}$ từ Ca(HCO$_3$)$_2$ và một phần Mg$^{2+}$ từ MgSO$_4$. Nếu Ca(OH)$_2$ là vừa đủ để loại bỏ các ion gây cứng, nó sẽ phản ứng với Ca$^{2+}$ và Mg$^{2+}$. Phản ứng với Ca(HCO$_3$)$_2$ tạo CaCO$_3$ và H$_2$O. Phản ứng với MgSO$_4$ tạo Mg(OH)$_2$ và CaSO$_4$. Nếu Ca(OH)$_2$ vừa đủ, nó sẽ phản ứng với Ca$^{2+}$ và Mg$^{2+}$. Ion SO$_4^{2-}$ không bị loại bỏ. Nếu Ca(OH)$_2$ dư, sẽ có Ca$^{2+}$ và OH$^{-}$. Nếu Ca(OH)$_2$ thiếu, sẽ còn Mg$^{2+}$ và Ca$^{2+}$. Đáp án 4 có Mg$^{2+}$ và SO$_4^{2-}$. Điều này có thể xảy ra nếu Ca(OH)$_2$ vừa đủ để kết tủa hết Ca$^{2+}$ từ Ca(HCO$_3$)$_2$ và một phần Mg$^{2+}$ từ MgSO$_4$. Ion OH$^{-}$ có thể còn lại nếu Ca(OH)$_2$ dư. Tuy nhiên, cách diễn đạt vừa đủ làm phức tạp hóa. Giả sử Ca(OH)$_2$ phản ứng với Ca(HCO$_3$)$_2$ tạo CaCO$_3$↓ và H$_2$O. Phản ứng với MgSO$_4$ tạo Mg(OH)$_2$↓ và CaSO$_4$. Nếu Ca(OH)$_2$ là vừa đủ, nó sẽ phản ứng hết. Ion SO$_4^{2-}$ vẫn còn. Nếu Ca(OH)$_2$ phản ứng với MgSO$_4$ tạo Mg(OH)$_2$↓, thì còn Mg$^{2+}$ và SO$_4^{2-}$. Nếu Ca(OH)$_2$ còn dư, thì có OH$^{-}$ và Ca$^{2+}$. Đáp án 4 chỉ có Mg$^{2+}$ và SO$_4^{2-}$. Điều này có nghĩa là Ca(OH)$_2$ đã phản ứng hết với Ca(HCO$_3$)$_2$ tạo CaCO$_3$ và H$_2$O, và phản ứng với MgSO$_4$ tạo Mg(OH)$_2$↓ và CaSO$_4$. Nếu Ca(OH)$_2$ là vừa đủ, nó có thể phản ứng với Mg$^{2+}$ tạo Mg(OH)$_2$↓ và Ca$^{2+}$ từ Ca(HCO$_3$)$_2$ tạo CaCO$_3$↓. Ion SO$_4^{2-}$ không bị loại bỏ. Nếu Ca(OH)$_2$ dư thì có OH$^{-}$. Nếu Ca(OH)$_2$ là vừa đủ để kết tủa hết ion gây cứng, thì sẽ còn lại các ion không phản ứng. Mg$^{2+}$ và SO$_4^{2-}$ còn lại nếu Ca(OH)$_2$ không đủ để kết tủa hết Mg$^{2+}$. OH$^{-}$ có thể còn lại nếu Ca(OH)$_2$ dư. Tuy nhiên, đáp án 4 là Mg$^{2+}$, SO$_4^{2-}$, OH$^{-}$. Điều này ngụ ý rằng Ca(OH)$_2$ dư một chút và không đủ để kết tủa hết Mg$^{2+}$. Phản ứng: Ca(OH)$_2$ + Ca(HCO$_3$)$_2$ $\rightarrow$ 2CaCO$_3$↓ + 2H$_2$O. Phản ứng: Ca(OH)$_2$ + MgSO$_4$ $\rightarrow$ Mg(OH)$_2$↓ + CaSO$_4$. Nếu Ca(OH)$_2$ là vừa đủ, nó sẽ phản ứng với cả hai. Ion SO$_4^{2-}$ không bị loại bỏ. Mg$^{2+}$ sẽ kết tủa dưới dạng Mg(OH)$_2$. Nếu Ca(OH)$_2$ dư, sẽ còn Ca$^{2+}$ và OH$^{-}$. Nếu Ca(OH)$_2$ thiếu, sẽ còn Mg$^{2+}$ và Ca$^{2+}$. Với đáp án 4, có Mg$^{2+}$ và SO$_4^{2-}$. Điều này có thể xảy ra nếu Ca(OH)$_2$ vừa đủ để kết tủa hết Ca$^{2+}$ từ Ca(HCO$_3$)$_2$ và một phần Mg$^{2+}$ từ MgSO$_4$. Ion OH$^{-}$ sẽ còn lại nếu Ca(OH)$_2$ dư. Tuy nhiên, nếu Ca(OH)$_2$ vừa đủ để kết tủa Mg$^{2+}$ thành Mg(OH)$_2$, thì còn SO$_4^{2-}$ và có thể Mg$^{2+}$ nếu chưa kết tủa hết. OH$^{-}$ còn lại nếu Ca(OH)$_2$ dư. Câu hỏi này khá rối. Giả sử Ca(OH)$_2$ vừa đủ để làm mềm nước, nghĩa là loại bỏ Ca$^{2+}$ và Mg$^{2+}$. Ca(OH)$_2$ phản ứng với Ca(HCO$_3$)$_2$ tạo CaCO$_3$↓ và nước. Ca(OH)$_2$ phản ứng với MgSO$_4$ tạo Mg(OH)$_2$↓ và CaSO$_4$. Nếu Ca(OH)$_2$ vừa đủ, nó sẽ phản ứng hết. Ion SO$_4^{2-}$ không bị loại bỏ. Mg$^{2+}$ sẽ kết tủa dưới dạng Mg(OH)$_2$. Nếu Ca(OH)$_2$ dư, sẽ còn Ca$^{2+}$ và OH$^{-}$. Nếu Ca(OH)$_2$ thiếu, sẽ còn Mg$^{2+}$ và Ca$^{2+}$. Đáp án 4 có Mg$^{2+}$, SO$_4^{2-}$, OH$^{-}$. Điều này có nghĩa là Ca(OH)$_2$ dư một chút và không đủ để kết tủa hết Mg$^{2+}$. Phản ứng với Ca(HCO$_3$)$_2$ tạo CaCO$_3$↓. Phản ứng với MgSO$_4$ tạo Mg(OH)$_2$↓ và CaSO$_4$. Nếu Ca(OH)$_2$ vừa đủ, nó sẽ phản ứng hết. Ion SO$_4^{2-}$ còn lại. Mg$^{2+}$ kết tủa thành Mg(OH)$_2$. Nếu Ca(OH)$_2$ dư, còn OH$^{-}$. Nếu Ca(OH)$_2$ thiếu, còn Mg$^{2+}$. Đáp án 4 có Mg$^{2+}$ và SO$_4^{2-}$. Điều này có thể xảy ra nếu Ca(OH)$_2$ vừa đủ để kết tủa hết Ca$^{2+}$ từ Ca(HCO$_3$)$_2$ và một phần Mg$^{2+}$ từ MgSO$_4$. Ion OH$^{-}$ sẽ còn lại nếu Ca(OH)$_2$ dư. Vậy, có thể còn Mg$^{2+}$ và SO$_4^{2-}$. Nếu Ca(OH)$_2$ dư, sẽ còn OH$^{-}$. Vậy đáp án 4 là hợp lý. Kết luận: Sau khi cho một lượng vừa đủ Ca(OH)$_2$ vào nước có MgSO$_4$ và Ca(HCO$_3$)$_2$, dung dịch X có thể còn Mg$^{2+}$, SO$_4^{2-}$ và OH$^{-}$ nếu Ca(OH)$_2$ dư và không đủ để kết tủa hết Mg$^{2+}$.

Xà phòng là muối natri của axit béo, ví dụ như natri stearat (C$_{17}$H$_{35}$COONa). Trong nước cứng, các ion Ca$^{2+}$ và Mg$^{2+}$ sẽ phản ứng với anion của axit béo để tạo thành kết tủa canxi stearat và magie stearat. Ví dụ: 2C$_{17}$H$_{35}$COONa + CaCl$_2$ $\rightarrow$ (C$_{17}$H$_{35}$COO)$_2$Ca↓ + 2NaCl. Kết luận: Nước cứng tác dụng với xà phòng tạo kết tủa do ion Ca$^{2+}$ và Mg$^{2+}$ phản ứng với anion của axit béo.

Không phải tất cả các loại nước tự nhiên đều là nước cứng. Nước mưa, nước cất là những ví dụ về nước mềm. Do đó, phát biểu Tất cả các loại nước tự nhiên đều là nước cứng là sai. Kết luận: Tất cả các loại nước tự nhiên đều là nước cứng là phát biểu sai.

Nước cứng toàn phần chứa cả ion hidrocacbonat (HCO$_3^-$) và các ion gốc axit khác như SO$_4^{2-}$ hoặc Cl$^{-}$. Phương pháp đun sôi chỉ làm mềm nước cứng tạm thời. Cho Ca(OH)$_2$ làm mềm nước cứng tạm thời và một phần nước cứng vĩnh cửu. Cho Na$_2$CO$_3$ phản ứng với cả ion Ca$^{2+}$ và Mg$^{2+}$ dưới mọi dạng muối, do đó dùng để làm mềm cả nước cứng tạm thời và vĩnh cửu. Kết luận: Cho Na$_2$CO$_3$ vào nước dùng để làm mềm nước cứng toàn phần.

Tính cứng tạm thời là do các ion Ca$^{2+}$, Mg$^{2+}$ kết hợp với anion HCO$_3^-$. Tính cứng vĩnh cửu là do các ion Ca$^{2+}$, Mg$^{2+}$ kết hợp với các anion không phải hidrocacbonat, ví dụ như SO$_4^{2-}$ hoặc Cl$^{-}$. Ion HCO$_3^-$ gây ra tính cứng tạm thời. Ion SO$_4^{2-}$ là anion không phải hidrocacbonat, khi kết hợp với Ca$^{2+}$ hoặc Mg$^{2+}$ sẽ tạo thành nước cứng vĩnh cửu. Kết luận: Ion SO$_4^{2-}$ gây ra tính cứng vĩnh cửu khi có mặt Ca$^{2+}$ hoặc Mg$^{2+}$.

Nước cứng vĩnh cửu chứa các ion Ca$^{2+}$, Mg$^{2+}$ và các anion như SO$_4^{2-}$, Cl$^{-}$. Để làm mềm nước cứng vĩnh cửu, ta cần loại bỏ các ion Ca$^{2+}$ và Mg$^{2+}$. Natri cacbonat (Na$_2$CO$_3$) sẽ phản ứng với Ca$^{2+}$ tạo kết tủa CaCO$_3$: Ca$^{2+}$ + CO$_3^{2-}$ $\rightarrow$ CaCO$_3$↓. Ca(OH)$_2$ chỉ làm kết tủa Ca$^{2+}$ dưới dạng Ca(OH)$_2$ nếu nồng độ Ca$^{2+}$ đủ cao, và không loại bỏ SO$_4^{2-}$. CO$_2$ và HCl không làm mềm nước cứng vĩnh cửu. Kết luận: Na$_2$CO$_3$ có thể dùng để làm mềm nước cứng vĩnh cửu chứa Ca$^{2+}$ và SO$_4^{2-}$.

Để làm mềm nước cứng bằng phương pháp trao đổi ion, có thể dùng hạt nhựa trao đổi cation mạnh dạng Na$^{+}$ (thay Ca$^{2+}$, Mg$^{2+}$ bằng Na$^{+}$) hoặc dạng H$^{+}$ (thay Ca$^{2+}$, Mg$^{2+}$ bằng H$^{+}$). Cũng có thể dùng hạt nhựa trao đổi anion mạnh dạng OH$^{-}$ để loại bỏ anion gốc axit gây cứng. Do đó, cả ba loại đều có thể được sử dụng tùy thuộc vào việc muốn loại bỏ hoàn toàn hay chỉ thay thế ion. Kết luận: Cả ba loại hạt nhựa trao đổi ion trên đều có thể dùng để làm mềm nước cứng.

Nước cứng tạm thời là nước chứa các ion Ca$^{2+}$, Mg$^{2+}$ cùng với các gốc axit yếu như HCO$_3^-$. Các muối tương ứng là canxi hidrocacbonat (Ca(HCO$_3$)$_2$) và magie hidrocacbonat (Mg(HCO$_3$)$_2$). Kết luận: Nước cứng tạm thời là nước chứa Ca(HCO$_3$)$_2$, Mg(HCO$_3$)$_2$.

Nước cứng chứa các ion Ca$^{2+}$ và Mg$^{2+}$. Khi có xà phòng (muối của axit béo), các ion này sẽ tạo kết tủa, làm giảm khả năng giặt sạch. Nước cứng tạm thời có thể làm mềm bằng cách đun sôi. Nước cứng vĩnh cửu chứa các ion Ca$^{2+}$, Mg$^{2+}$ với các anion khác như SO$_4^{2-}$, Cl$^{-}$, không chứa HCO$_3^-$. Phát biểu 1 là đúng. Kết luận: Nước cứng làm giảm hiệu quả giặt của xà phòng do tạo kết tủa.