實驗：硬水的檢測與軟化法全攻略 | 莫斯利自然科學
為什麼有些地方的水龍頭或熱水壺用久了，總會結上一層厚厚的白色水垢？為什麼有些水質用肥皂洗衣服時，怎麼搓都搓不出豐富的泡沫，甚至還會卡上一層黏糊糊的沉澱物？
一、 實驗目的與原理
實驗目的： 了解硬水的檢測及軟化方式。
硬水的分類：
暫時硬水： 陰離子為碳酸氫根 (HCO₃⁻)，加熱煮沸即可將其軟化。
永久硬水： 陰離子為硫酸根 (SO₄²⁻) 或氯離子 (Cl⁻) 等，無法僅用煮沸法軟化。
硬水的缺點：
會在鍋爐內產生水垢，阻礙熱傳導甚至造成危險。
會和肥皂（脂肪酸鈉，如硬脂酸根 C₁₇H₃₅COO⁻）發生沉澱，消耗肥皂而降低洗滌效果。
肥皂沉澱反應式： 2 C₁₇H₃₅COO⁻(aq) + Mg²⁺(aq) → Mg(C₁₇H₃₅COO)₂(s)（鈣離子亦會產生類似的硬脂酸鈣沉澱）
二、 硬水的軟化方式
煮沸法： 僅適用於暫時硬水，加熱可使碳酸氫鈣或碳酸氫鎂分解成碳酸鈣或碳酸鎂沉澱析出。
化學沉澱法： 永久硬水必須利用蘇打 (Na₂CO₃) 或石灰 (CaO) 等化學藥劑將鈣、鎂離子沉澱去除。
離子交換樹脂法：
可使用陽子交換樹脂（為人工合成的巨大有機鹽，如聚苯乙烯磺酸鈉，常用 RSO₃Na 表示）。
在軟化過程中，樹脂上的鈉離子會與水中的鈣離子與鎂離子進行離子交換。
離子交換反應式： 2 RSO₃Na(s) + Mg²⁺(aq) → (RSO₃)₂Mg(s) + 2 Na⁺(aq)（鈣離子亦同）
三、 硬水與鍋垢大考經典題型解析
1.第一題解析
【題目】
下列有關硬水的敘述，何者正確？ (A) 含鈣、鎂離子的水稱為硬水 (B) 硬水中含碳酸根者稱為暫時硬水 (C) 硬水中含氯離子或硫酸根者稱為永久硬水 (D) 鍋垢係指碳酸鈣、碳酸鎂及硫酸鈣沉澱 (E) 使用煮沸法可使硬水軟化 (F) MgCl₂、CaSO₄、K₂CO₃均為硬水的成分 (G) 硬水會和肥皂反應產生 CaCO₃ 沉澱 (H) 永久硬水通過含有鈉離子的泡沸石可將鈣離子去除
【詳細解析】
(A) 含鈣、鎂離子的水稱為硬水
解析： 正確。硬水的主要定義即為含有較多鈣離子（Ca²⁺）與鎂離子（Mg²⁺）的水。
(B) 硬水中含碳酸根者稱為暫時硬水
解析： 錯誤。暫時硬水的陰離子是碳酸氫根（HCO₃⁻），而非碳酸根。
(C) 硬水中含氯離子或硫酸根者稱為永久硬水
解析： 正確。永久硬水的陰離子主要為氯離子（Cl⁻）或硫酸根（SO₄²⁻）等，無法僅靠煮沸法去除。
(D) 鍋垢係指碳酸鈣、碳酸鎂及硫酸鈣沉澱
解析： 正確。鍋爐內因加熱產生的水垢（鍋垢）主要成分包含碳酸鈣（CaCO₃）、碳酸鎂（MgCO₃）以及在高溫下溶解度降低而析出的硫酸鈣（CaSO₄）沉澱。
(E) 使用煮沸法可使硬水軟化
解析： 錯誤。煮沸法僅能使暫時硬水軟化，無法使永久硬水軟化。
(F) MgCl₂、CaSO₄、K₂CO₃均為硬水的成分
解析： 錯誤。K₂CO₃ 含有鉀離子（K⁺），並非鈣、鎂離子，因此不是造成硬水的成分。
(G) 硬水會和肥皂反應產生 CaCO₃ 沉澱
解析： 錯誤。硬水與肥皂（脂肪酸鈉）反應產生的沉澱是硬脂酸鈣或硬脂酸鎂（如 Mg(C₁₇H₃₅COO)₂），而不是碳酸鈣。
(H) 永久硬水通過含有鈉離子的泡沸石可將鈣離子去除
解析： 正確。泡沸石或陽離子交換樹脂含有鈉離子（如 RSO₃Na），在軟化硬水時會與水中的鈣、鎂離子進行離子交換，將鈣、鎂離子留在樹脂上而去除。
第一題正確答案：(A)、(C)、(D)、(H)
2. 第二題解析
【題目】下列何者為鍋垢的成分？ (A) Na₂CO₃ (B) CaCl₂ (C) CaSO₄ (D) CaCO₃ (E) MgCO₃
【詳細解析】
鍋垢是硬水在加熱或長期使用過程中，水中鈣、鎂離子與陰離子結合生成的沉澱物。
根據水質化學性質與沉澱規則，鍋垢的主要成分包含碳酸鈣（CaCO₃）、碳酸鎂（MgCO₃）以及在高溫下易析出的硫酸鈣（CaSO₄）。
在選項中，(C)、(D)、(E) 均為鍋垢的正確成分。若為單選題，通常以最主要的碳酸鈣（CaCO₃）為主；若為複選題則包含 (C)、(D)、(E)。
第二題正確答案：(C)、(D)、(E)
四、 莫斯利重點整理
硬水定義： 含有較多鈣離子 (Ca²⁺) 與鎂離子 (Mg²⁺) 的水稱為硬水。
軟化對照表：
暫時硬水 ➔ 可用煮沸法。
永久硬水 ➔ 須用蘇打 (Na₂CO₃)、石灰或陽離子交換樹脂。
離子交換樹脂再生： 當樹脂吸附過多鈣、鎂離子失效後，可用濃食鹽水（NaCl 溶液）進行逆向沖洗再生，讓大量鈉離子把鈣、鎂離子置換出來，恢復樹脂效能。