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天津市民族中学开展学校科普日活动，旨在大力弘扬教育家精神，实施“双驱引领”下的科学教育。通过广泛传播科学知识、弘扬科学精神，激发学生崇尚科学、探索未知的兴趣，营造讲科学、爱科学、学科学、用科学的氛围。
学校将在科普日面向全校师生推广科普知识。学生和家长通过关注学校微信公众号，可以了解学校在每期科普日推送的科普内容或活动。在后续的科普日活动中，学校还将组织学生开展现场活动，助力学生科学思维的发展和科学探究能力的提升。
本期科普日由学校化学学科卢嘉老师讲述水壶内壁水垢——钙镁离子沉淀的累积过程。
家里用久的水壶，内壁会逐渐附着一层白色或淡黄色的坚硬物质，用手触摸粗糙不平，这就是 “水垢”。烧水时，水垢会影响热量传递，导致水烧开的时间变长；若不及时清理，水垢还可能堵塞水管，甚至影响水质。水垢究竟是怎么形成的？它并非水中的杂质直接沉积，而是硬水中的钙、镁离子在加热过程中发生化学反应，生成不溶于水的沉淀物，长期累积形成的。要理解这一过程，需从硬水的特性、化学反应的原理以及水垢的成分入手，揭开水壶内壁水垢的化学奥秘。
首先，我们需要明确 “硬水” 的概念。自然界中的水并非纯净的水，而是含有多种可溶性矿物质，其中最主要的是钙、镁离子（如氯化钙、氯化镁、碳酸氢钙、碳酸氢镁等）。根据水中钙、镁离子含量的多少，水可分为 “硬水” 和 “软水”：硬水是指钙、镁离子含量较高的水，软水则是指钙、镁离子含量较低或不含的水。我们日常使用的自来水，大多属于硬水，因为它来源于江河、湖泊或地下水，这些水源在流动过程中会溶解土壤和岩石中的钙、镁矿物质。
水垢的形成主要与硬水中的 “碳酸氢盐” 有关，如碳酸氢钙和碳酸氢镁。这类物质在常温下能溶解在水中，因此自来水在管道中流动时，我们看不到明显的沉淀；但当水被加热（如在水壶中烧开）时，碳酸氢盐会发生 “分解反应”：碳酸氢钙受热后分解成碳酸钙、二氧化碳和水；碳酸氢镁受热后分解成碳酸镁、二氧化碳和水。这两种分解产物中，碳酸钙和碳酸镁都是不溶于水的固体，会从水中析出，形成细小的白色颗粒。
这些细小的颗粒起初会悬浮在水中，但随着加热时间的延长，颗粒会逐渐聚集，并附着在水壶内壁上 —— 因为水壶内壁温度较高，且表面可能存在微小的凹凸，为颗粒提供了附着的 “载体”。随着使用次数的增加，沉淀物不断累积，厚度逐渐增加，最终形成坚硬的水垢。需要注意的是，碳酸镁在水中的溶解度比碳酸钙略高，部分碳酸镁还会与水中的氢氧化钙反应，生成更难溶于水的氢氧化镁，进一步加重水垢的形成。因此，水垢的主要成分通常是碳酸钙和氢氧化镁的混合物，有时也含有少量其他矿物质。
水垢的多少与水的硬度、烧水频率和温度有关：水的硬度越高（钙、镁离子含量越多），水垢形成的速度越快，数量也越多；烧水频率越高，水垢累积的速度越快；水温越高，碳酸氢盐的分解反应越彻底，水垢的生成量也越大。例如，用硬水烧开的水壶，一周内就可能出现明显水垢；而用软水（如纯净水、蒸馏水）烧水，几乎不会产生水垢，因为软水中几乎不含钙、镁离子。
水垢不仅影响水壶的使用，还可能带来其他问题。从使用角度看，水垢的导热性很差，远低于金属水壶的导热性 —— 水壶内壁附着水垢后，火焰的热量难以快速传递到水中，导致水烧开的时间延长，增加能源消耗；严重时，水垢可能堵塞水壶的出水口或管道，影响正常使用。从水质角度看，水垢本身无毒，少量进入人体不会对健康造成危害（钙、镁也是人体所需的矿物质），但水垢会吸附水中的其他杂质，长期饮用可能影响口感；此外，水垢若附着在热水器、太阳能水箱等设备内壁，还会缩短设备的使用寿命。
去除水壶中的水垢，可利用水垢的 “溶解性” 特性 —— 碳酸钙和氢氧化镁都能与酸性物质发生反应，生成可溶于水的物质，从而随水被清除。生活中常用的除垢方法有：将适量白醋倒入水壶中，加入半壶水，煮沸后浸泡一段时间（通常 1-2 小时），白醋中的醋酸会与水垢反应，使水垢溶解，最后用清水冲洗干净；也可使用柠檬酸溶液，原理与白醋类似，且柠檬酸气味更温和，适合对白醋气味敏感的人群；对于较厚的水垢，可重复几次除垢过程，或用软毛刷轻轻刷洗，帮助水垢脱落。
预防水垢的形成，最根本的方法是降低水的硬度，即 “软化水”。家庭中可安装净水器（带有离子交换树脂的净水器），通过树脂吸附水中的钙、镁离子，将硬水转化为软水；也可在水壶中放入 “除垢剂”（主要成分是磷酸盐），磷酸盐能与钙、镁离子结合，形成可溶性的化合物，防止其沉淀形成水垢；此外，烧水时尽量将水完全烧开，让碳酸氢盐充分分解，及时清理水壶内壁的细小沉淀，也能减缓水垢的累积速度。
从水壶内壁的白色沉淀，到管道中的堵塞隐患，水垢的形成是硬水中钙、镁离子发生化学变化的结果，也是日常生活中常见的化学现象。深入理解水垢的形成原理，能让我们更好地掌握除垢和防垢的方法，延长水壶等设备的使用寿命，同时改善水质 —— 化学的智慧，就藏在这解决日常小问题的方法之中。
加强科学教育 提升科学素养
科普知识问答
水壶内壁的水垢主要成分是什么？
01
02
硬水和软水的主要区别是什么？
水垢形成的关键化学反应是什么？
03
04
生活中常用的去除水垢的方法有哪些（列举两种）？
预防水垢形成的根本方法是什么？
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撰稿人：卢嘉
核稿人：沈建伟 关雪岩 周海燕
排版制作：魏佳
领导审核：刘芃 刘和葵
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