高中研究性课题在化学学科中具有重要的实践意义，能够帮助学生将理论知识与实际应用相结合，培养科学探究能力和创新思维，化学研究性课题的选择范围广泛，涵盖物质性质探究、环境监测、食品分析、新能源开发等多个领域，以下以“不同水质中钙镁离子含量的测定及其对日常生活的影响”为例，详细阐述研究性课题的开展过程。
课题背景与意义
钙镁离子是水中主要的矿物质离子，其含量直接影响水的硬度，硬水在日常生活中会导致水垢生成、肥皂起泡效果差等问题，长期饮用硬度过高的水可能对健康产生影响，通过测定不同水源（如自来水、矿泉水、纯净水、地下水）中的钙镁离子含量，不仅可以了解当地水质状况，还能为居民饮水选择提供科学依据，该课题涉及滴定分析、分光光度法等基础化学实验方法，有助于学生掌握定量分析的基本技能。
研究目标
- 掌握EDTA滴定法测定水硬度的原理及操作方法；
- 比较不同水源中钙镁离子的含量差异；
- 分析水质硬度对日常生活的影响，并提出改善建议。
研究方法
样品采集
选取本地四种典型水源：自来水（A）、品牌矿泉水（B）、纯净水（C）、地下水（D），使用洁净聚乙烯瓶采样，避免污染，并标注采样地点和时间。
实验原理
EDTA（乙二胺四乙酸二钠）能与钙镁离子形成稳定的配合物，在pH=10的氨性缓冲溶液中，以铬黑T（EBT）为指示剂，溶液由酒红色变为纯蓝色时即为滴定终点，通过消耗的EDTA标准溶液体积计算钙镁离子的总含量，以碳酸钙（CaCO₃）的质量浓度表示水的硬度。
实验步骤
（1）EDTA标准溶液的标定：称取0.25g EDTA，溶于100mL蒸馏水，配制成近似0.01mol/L的溶液，准确称取0.25g已在105℃烘干2小时的分析纯CaCO₃，溶于少量盐酸后转移至250mL容量瓶，定容，移取25.00mL Ca²⁺标准溶液于锥形瓶中，加入氨性缓冲溶液和EBT指示剂，用EDTA溶液滴定至终点，平行测定三次，计算EDTA的准确浓度。
（2）水样硬度的测定：取50.00mL水样于锥形瓶中，加入5mL氨性缓冲溶液和2-3滴EBT指示剂，用EDTA标准溶液滴定至溶液由酒红色变为纯蓝色，记录消耗体积，平行测定三次，计算水样的硬度。
数据记录与处理
实验数据记录如下表所示：
| 水样编号 | 水源类型 | EDTA消耗体积(mL) | 平均体积(mL) | 硬度(mg/L, 以CaCO₃计) |
|---|---|---|---|---|
| A | 自来水 | 35, 12.40, 12.38 | 38 | 2 |
| B | 矿泉水 | 20, 18.25, 18.22 | 22 | 5 |
| C | 纯净水 | 10, 2.08, 2.12 | 10 | 0 |
| D | 地下水 | 60, 25.58, 25.62 | 60 | 8 |
硬度计算公式：
[ \text{硬度} = \frac{c(\text{EDTA}) \times V(\text{EDTA}) \times M(\text{CaCO}3) \times 1000}{V{\text{水样}}} ]
( c(\text{EDTA}) )为EDTA的浓度（mol/L），( V(\text{EDTA}) )为消耗体积（mL），( M(\text{CaCO}3) = 100.09 \text{g/mol} )，( V{\text{水样}} = 50.00 \text{mL} )。
结果分析与讨论
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不同水源硬度对比：地下水硬度最高（256.8 mg/L），可能因流经含钙镁矿物地层；矿泉水硬度次之（182.5 mg/L），符合其“富含矿物质”的产品定位；自来水硬度适中（124.2 mg/L），符合国家生活饮用水标准（≤450 mg/L）；纯净水硬度最低（21.0 mg/L），因经过反渗透处理去除了大部分离子。
（图片来源网络，侵删） -
日常生活影响：
- 硬水问题：硬水加热后易形成碳酸钙镁水垢，降低热水器、锅炉效率，增加能耗；洗涤时与肥皂反应生成沉淀，浪费洗涤剂。
- 健康影响：世界卫生组织建议饮用水硬度理想范围为50-500 mg/L，长期饮用硬度过高的水可能增加结石风险，但适量钙镁离子对骨骼健康有益。
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改进建议：
- 家庭可安装离子交换树脂软化水设备；
- 选择饮用水时可根据需求平衡矿物质含量与口感；
- 工业用水需通过软化处理减少设备结垢。
研究反思与展望
本实验通过经典滴定法实现了水中钙镁离子的定量测定，操作简单且成本低，但EDTA滴定法无法区分钙镁离子各自的含量，后续可采用原子吸收光谱法或电感耦合等离子体质谱法进一步分析，可拓展研究季节变化对水源硬度的影响，或探索新型除垢材料的开发。
相关问答FAQs
Q1: 为什么EDTA滴定法测定水硬度时需要控制pH=10？
A1: 在pH=10的氨性缓冲溶液中，铬黑T指示剂与钙镁离子形成稳定的酒红色配合物，而EDTA与钙镁离子的配合物更稳定，滴定时EDTA会优先夺取指示剂结合的离子，使溶液变为蓝色，若pH过高，Mg²⁺会形成Mg(OH)₂沉淀导致误差；pH过低，则指示剂无法与金属离子显色，影响终点判断。
Q2: 硬水对工业设备有哪些具体危害？如何有效处理？
A2: 硬水在工业设备中加热时，钙镁离子会形成致密水垢，覆盖在管道和换热器表面，导致热传导效率下降（能耗增加10%-30%）、水流通道堵塞甚至设备腐蚀，处理方法包括：①化学法：添加石灰-纯碱软化剂，使钙镁离子沉淀；②离子交换法：通过钠型阳离子交换树脂去除Ca²⁺、Mg²⁺；③膜分离法：采用反渗透（RO）技术去除水中离子,适用于高精度用水场景。
