高中化學(xué) 第四章 元素與材料世界 第2節(jié) 鋁金屬材料學(xué)案 魯科版必修1.doc

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第2節(jié)　鋁　金屬材料 1．鋁 (1)鋁的物理性質(zhì) 鋁是一種銀白色金屬，硬度小，密度較小(2.7 gcm－3)，熔點低(660.4 ℃)，沸點較高(2 467 ℃)，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性。 (2)鋁的化學(xué)性質(zhì) 鋁原子的最外層有3個電子，在化學(xué)反應(yīng)中易失去電子達(dá)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，化合價為＋3價，因而鋁的化學(xué)性質(zhì)活潑，是較強的還原劑。 ①與非金屬反應(yīng) a．與氧氣反應(yīng) 在常溫下，鋁可被空氣中的氧氣氧化，在其表面形成一層致密的氧化物薄膜，阻止了內(nèi)部的鋁繼續(xù)與氧氣反應(yīng)，因而，鋁制容器往往具有良好的抗腐蝕性。 實驗探究1：鋁粉和氧氣的反應(yīng)。 實驗步驟：用鑷子夾住一小團(tuán)脫脂棉，蘸上一些鋁粉，在酒精燈上點燃，并立即伸入盛有氧氣的集氣瓶中(瓶底放一些細(xì)沙)，觀察發(fā)生的現(xiàn)象。 實驗現(xiàn)象：在氧氣中劇烈燃燒，同時放出耀眼的白光。 實驗結(jié)論：4Al＋3O22Al2O3 金屬鋁可用于制造燃燒彈、信號彈、火箭推進(jìn)劑等。 b．與氯氣、硫等非金屬反應(yīng) 2Al＋3Cl22AlCl3　4Al＋3S2Al2S3 ②鋁與某些金屬氧化物反應(yīng)——鋁熱反應(yīng) 實驗探究2：鋁熱反應(yīng) 實驗步驟：如圖所示，將兩張圓形紙分別折疊成漏斗后套在一起使四周都是四層，把內(nèi)層“紙漏斗”取出，在底部剪一個孔，用水潤濕，再跟另一“紙漏斗”套在一起，架在鐵架臺的鐵圈上，下面放置盛有細(xì)沙的蒸發(fā)皿。把5 g炒干的三氧化二鐵粉末和2 g鋁粉混合均勻，放在“紙漏斗”中，上面加入少量氯酸鉀并在混合物中插一根鎂條，用燃著的木條點燃鎂條，觀察發(fā)生的現(xiàn)象。 實驗現(xiàn)象：反應(yīng)放出大量的熱，發(fā)出耀眼的光芒，生成熔融物，燒穿漏斗，落在坩堝中的沙中。 實驗結(jié)論和化學(xué)方程式：反應(yīng)中鋁粉將三氧化二鐵中的鐵置換出來。2Al＋Fe2O3Al2O3＋2Fe。 談重點 剖析鋁熱反應(yīng)： a．該反應(yīng)稱為鋁熱反應(yīng)，鋁粉和氧化鐵粉末的混合物稱為鋁熱劑。利用鋁熱反應(yīng)可焊接鋼軌等鋼材部件。 b．實驗中鎂條的作用是通過其燃燒放出的熱量引發(fā)鋁熱反應(yīng)，KClO3的作用是助燃劑。 c．鋁不僅可與氧化鐵發(fā)生鋁熱反應(yīng)，用其他金屬氧化物如V2O5、Cr2O3、MnO2等代替氧化鐵也可發(fā)生鋁熱反應(yīng)。鋁熱反應(yīng)還可用于冶煉釩、錳等金屬。 ③鋁與酸反應(yīng) 高中階段，學(xué)習(xí)過的酸分為非氧化性酸和氧化性酸兩類，鋁既可以與氧化性酸反應(yīng)，又可以與非氧化性酸反應(yīng)。 a．鋁與非氧化性酸的反應(yīng)：酸中的氫離子被還原生成氫氣。 2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑ 2Al＋3H2SO4===Al2(SO4)3＋3H2↑ 反應(yīng)的離子方程式為2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑ b．鋁與氧化性酸的反應(yīng) 常溫下，鋁遇到濃硫酸或濃硝酸，會在表面形成致密的氧化物薄膜而鈍化，不會產(chǎn)生氫氣。鋁與稀硝酸反應(yīng)：Al＋4HNO3(稀)===Al(NO3)3＋NO↑＋2H2O。 ④鋁與強堿溶液的反應(yīng) 鋁與強堿的水溶液反應(yīng)，生成氫氣和鹽。 Na[Al(OH)4](四羥基合鋁酸鈉)易溶于水，易電離，其水溶液呈無色。 鋁單質(zhì)與強堿溶液的反應(yīng)實質(zhì)是分步反應(yīng)。 第一步：鋁單質(zhì)與水的置換： 2Al＋6H2O===2Al(OH)3＋3H2↑ 生成的氫氧化鋁是一種難溶于水的沉淀，附著在鋁單質(zhì)的表面，阻止了鋁單質(zhì)與水的進(jìn)一步反應(yīng)，反應(yīng)自動停止。 第二步：氫氧化鋁與強堿溶液的反應(yīng)： Al(OH)3＋NaOH===Na[Al(OH)4](非氧化還原反應(yīng))　 在反應(yīng)中，只有第一步是氧化還原反應(yīng)，鋁是還原劑，H2O是氧化劑。 析規(guī)律 Na[Al(OH)4]與配合物 金屬鋁和NaOH溶液反應(yīng)生成的化合物曾被認(rèn)為是NaAlO2，但科學(xué)研究證明該產(chǎn)物實際上是Na[Al(OH)4]，它屬于配位化合物。 配位化合物的結(jié)構(gòu)中包含中心體和配位體，例如： Na[Al(OH)4] ↑ ↑ 中心體 配位體 配位化合物在醫(yī)藥科學(xué)、催化反應(yīng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 【例1－1】 等質(zhì)量的兩份Al分別加入0.3 L 1 molL－1的鹽酸和NaOH溶液中，生成氫氣的體積比為1∶2，則加入的Al的質(zhì)量為(　　) A．2.7 g　　　　　　　　 B．5.4 g C．8.1 g D．10 g 解析：做此題要注意量的問題，綜合分析題中已知條件判斷哪種物質(zhì)過量，然后計算得出結(jié)論。 已知反應(yīng)：2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑?、?，2Al＋2NaOH＋6H2O===2Na[Al(OH)4]＋3H2↑　②。 由生成氫氣的體積比為1∶2可知，①②兩反應(yīng)消耗Al的質(zhì)量之比為1∶2。①中鋁過量，鹽酸完全反應(yīng)，0.3 mol HCl與足量的Al反應(yīng)生成H2為0.15 mol。又知②中NaOH未完全反應(yīng)，Al完全反應(yīng)，所以②中生成H2為0.3 mol，Al的物質(zhì)的量為0.2 mol，即5.4 g。 答案：B 【例1－2】 向一個鋁制易拉罐中充滿CO2，然后往罐中注入足量的NaOH溶液，立即用膠布嚴(yán)封罐口，不一會兒聽到罐內(nèi)“咔咔”地響，發(fā)現(xiàn)易拉罐變癟，再過一會兒易拉罐又鼓起來。 (1)易拉罐變癟的原因是_______________，反應(yīng)的離子方程式是_________________。 (2)易拉罐又鼓起來的原因是____________，反應(yīng)的離子方程式是______________。 解析：CO2溶于NaOH溶液，罐內(nèi)氣壓減小，小于外界氣壓，易拉罐被壓癟；之后，鋁制的易拉罐與NaOH溶液反應(yīng)產(chǎn)生H2，罐內(nèi)壓強又增大，易拉罐又鼓起來。 答案：(1)NaOH溶液吸收CO2，罐內(nèi)壓強減小，外界氣壓將易拉罐壓癟　CO2＋2OH－===CO＋H2O (2)Al表面的氧化膜溶解后，Al與NaOH溶液反應(yīng)產(chǎn)生H2　2Al＋2OH－＋6H2O===2[Al(OH)4]－＋3H2↑ 2．鋁合金 (1)合金 合金是指兩種或兩種以上的金屬(或金屬與非金屬)熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì)(有些合金中也有化合物)。 將金屬制成合金，可以保持甚至強化單一金屬的長處，克服其不足，所以合金的性能一般優(yōu)于純金屬，如：a.合金的熔點比它的各成分金屬的熔點低，如NaK合金常溫下是液體，可以做原子反應(yīng)堆的導(dǎo)熱劑；硅鋁合金熔點低，收縮率小，適合于鑄造。b.合金的硬度大于其成分金屬的硬度(如硅鋁合金的硬度、強度都比純鋁大，適用性很廣)。 (2)鋁合金 鋁合金具有密度小、強度高、塑性好、易于成型、制造工藝簡單、成本低廉等特點，并且因表面易形成致密的氧化物保護(hù)膜而具有一定抗腐蝕能力，可用于制造能承受大載荷及強烈磨損的構(gòu)件。主要應(yīng)用于建筑業(yè)、包裝業(yè)、交通運輸以及電子行業(yè)。例如，用鋁合金材料制成的汽車車輪的骨架，質(zhì)輕、強度大且熱變形性小，計算機中的硬盤抽取盒使用鋁合金作散熱材料，堅固耐用，散熱效果好。另外，鋁合金還廣泛應(yīng)用于制造飛機構(gòu)件。 【例2】 鋁鎂合金因堅硬、輕巧、美觀、潔凈、易于加工而成為新型建筑裝潢材料，主要用于制作門窗框、卷簾門、防護(hù)欄等。下列與這些用途無關(guān)的性質(zhì)是(　　) A．不易生銹 B．導(dǎo)電性好 C．密度小 D．強度高 解析：建筑裝潢材料屬于長期使用的材料，其不易生銹、強度高、密度小等性能都有利于建筑的長久、安全使用。但建筑裝潢材料沒有必要要求導(dǎo)電性好，相反，建筑裝潢材料導(dǎo)電性好不利于建筑物的安全使用，因為它會導(dǎo)致建筑物遭雷擊。 答案：B 3．氧化鋁 (1)氧化鋁的存在及其物理性質(zhì) 氧化鋁的化學(xué)式為Al2O3，俗稱礬土，是一種難溶于水的白色粉末，熔點高，硬度大。自然界中純凈的Al2O3為無色晶體，俗稱剛玉，硬度僅次于金剛石，混有少量雜質(zhì)可使剛玉帶有各種色澤，稱為寶石。 由于Al2O3熔點高，難分解，因而可做良好的耐火材料。 (2)氧化鋁的化學(xué)性質(zhì) Al2O3是典型的兩性氧化物，氧化鋁既能溶于強酸溶液，又能溶于強堿溶液。 ①與強酸反應(yīng)：如與鹽酸反應(yīng)的化學(xué)方程式為： Al2O3＋6HCl===2AlCl3＋3H2O 離子方程式為：Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O ②與強堿反應(yīng)：如與NaOH溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式為： Al2O3＋2NaOH＋3H2O===2Na[Al(OH)4] 離子方程式為：Al2O3＋2OH－＋3H2O===2[Al(OH)4]－ 說明：a.Al2O3不能直接與水反應(yīng)，因此不能用Al2O3和水化合生成氫氧化鋁。 b．工業(yè)上用電解熔融氧化鋁的方法冶煉金屬鋁。 【例3】 為除去MgO中混有的少量雜質(zhì)Al2O3，可選用的試劑是(　　) A．KOH溶液　　　　　　 B．氨水 C．稀鹽酸 D．水 解析：MgO為難溶于水的堿性氧化物，因而可以溶于強酸，但不能溶于強堿中；Al2O3為難溶于水的兩性氧化物，因而既可以溶于強酸又可以溶于強堿中。為除去MgO中混有的Al2O3雜質(zhì)可選用強堿溶液作試劑。 答案：A 4．氫氧化鋁 實驗探究：氫氧化鋁的性質(zhì) 實驗步驟：在一支大試管中放入約5 mL 0.5 molL－1的Al2(SO4)3溶液，滴加足量的氨水至不再產(chǎn)生沉淀為止，將所得沉淀分成兩份：一份滴加鹽酸并振蕩試管，另一份滴加NaOH溶液并振蕩試管，觀察發(fā)生的現(xiàn)象。 實驗記錄： 實驗內(nèi)容 實驗現(xiàn)象 實驗結(jié)論 硫酸鋁與氨水反應(yīng) 溶液里產(chǎn)生了白色膠狀沉淀 Al2(SO4)3與NH3H2O反應(yīng)生成Al(OH)3沉淀 氫氧化鋁與鹽酸反應(yīng) 白色沉淀溶解，形成了無色溶液 Al(OH)3溶于鹽酸 氫氧化鋁與NaOH溶液反應(yīng) 白色沉淀溶解，形成了無色溶液 Al(OH)3溶于NaOH溶液 (1)Al(OH)3的物理性質(zhì)和用途 Al(OH)3是白色膠狀固體、難溶于水，具有吸附性，能凝聚水中的懸浮物，又能吸附色素，因此，Al(OH)3可用作凈水劑和色素吸附劑。 (2)Al(OH)3的化學(xué)性質(zhì) ①Al(OH)3是一種兩性氫氧化物，它既能與強酸反應(yīng)又能與強堿反應(yīng)。反應(yīng)的離子方程式分別為：Al(OH)3＋3H＋===Al3＋＋3H2O，Al(OH)3＋OH－===[Al(OH)4]－ 像Al(OH)3這樣既能與強酸反應(yīng)生成鹽和水，又能與強堿反應(yīng)生成鹽和水的氫氧化物稱為兩性氫氧化物。 ②Al(OH)3受熱易分解：2Al(OH)3Al2O3＋3H2O (3)Al(OH)3的制取 ①鋁鹽與堿反應(yīng) 用鋁鹽與可溶性弱堿氨水反應(yīng)制Al(OH)3：Al3＋＋3NH3H2O===Al(OH)3↓＋3NH。 說明：制取Al(OH)3也可用鋁鹽與強堿作用，但應(yīng)嚴(yán)格控制加入堿的量，因為強堿過量會使制得的Al(OH)3轉(zhuǎn)化為四羥基合鋁酸鹽：Al(OH)3＋OH－===[Al(OH)4]－。所以，實驗室一般不采用這種方法制Al(OH)3。 ②四羥基合鋁酸鹽與酸反應(yīng) 一般用向偏鋁酸鹽溶液中通入CO2的方法制取Al(OH)3。當(dāng)CO2不足或適量時：2[Al(OH)4]－＋CO2===2Al(OH)3↓＋CO＋H2O；CO2過量時：[Al(OH)4]－＋CO2===Al(OH)3↓＋HCO。 說明：一般不用強酸，因為強酸的量控制不當(dāng)會使制得的Al(OH)3溶解：[Al(OH)4]－＋H＋===Al(OH)3↓＋H2O；Al(OH)3＋3H＋===Al3＋＋3H2O 【例4】 向20 mL 1 molL－1的Al2(SO4)3溶液中加入30 mL NaOH溶液，充分反應(yīng)得到0.78 g沉淀，則NaOH溶液的物質(zhì)的量的濃度可能是(　　) A．1 molL－1　　　　　　 B．3 molL－1 C．5 molL－1 D．7 molL－1 解析：比較Al3＋的物質(zhì)的量與沉淀Al(OH)3的物質(zhì)的量，推測NaOH的兩種情況：①NaOH不足量時，n(NaOH)＝3n[Al(OH)3]；②NaOH過量時，n(NaOH)＝3n(Al3＋)＋n〔[Al(OH)4]－〕＝3n(Al3＋)＋〔n(Al3＋)－n[Al(OH)3]〕＝4n(Al3＋)－n[Al(OH)3]。解題過程可分兩步進(jìn)行。 (1)求Al3＋和Al(OH)3沉淀的物質(zhì)的量 n(Al3＋)＝0.02 mol2＝0.04 mol n[Al(OH)3]＝0.78 g78 gmol－1＝0.01 mol (2)當(dāng)NaOH不足時： n(NaOH)＝3n[Al(OH)3]＝0.03 mol，c(NaOH)＝0.03 mol/0.03 L＝1 molL－1 當(dāng)NaOH過量時： n(NaOH)＝4n(Al3＋)－n[Al(OH)3]＝0.15 mol，c(NaOH)＝0.15 mol/0.03 L＝5 molL－1 答案：AC 5．金屬的分類及通性 (1)金屬的分類 ①冶金工業(yè)上將金屬分為黑色金屬和有色金屬。 a．黑色金屬：鐵(Fe)、鉻(Cr)、錳(Mn)及它們的合金。 b．有色金屬：除Fe、Cr、Mn以外的其他金屬及其合金。 釋疑點 黑色金屬是黑色的嗎？ 黑色金屬的顏色不一定是黑色，如純凈的鐵、鉻、錳的顏色為銀白色。 ②按密度將金屬分為輕金屬和重金屬。 a．輕金屬：密度小于4.5 gcm－3，如鈉、鎂、鋁等。 b．重金屬：密度大于4.5 gcm－3，如金、銀、銅等。 ③按在自然界中的含量將金屬分為常見金屬和稀有金屬。 a．常見金屬：如鐵、鋁、鈣等。 b．稀有金屬：如鋯、鈮、鉬等。 (2)金屬的通性 ①常溫下，絕大多數(shù)金屬都是固體(汞是液體)。 ②大多數(shù)金屬呈銀白色(除Cu、Au外)，有金屬光澤。 ③金屬一般都是電和熱的良導(dǎo)體。 ④金屬一般都有良好的延展性。 【例5】 在金、銀、銅、鐵、鈉、鎂、鋁幾種金屬中，屬于輕金屬的有______；導(dǎo)電性能最好的是______；在空氣中最穩(wěn)定的是______；最活潑的是______；常溫時與水能劇烈反應(yīng)的有______；既能跟酸反應(yīng)，又能跟堿溶液反應(yīng)的是______。 解析：通常，密度小于4.5 gcm－3的金屬為輕金屬，密度大于4.5 gcm－3的金屬為重金屬；以上金屬都具有良好的導(dǎo)電性，其中，銀的導(dǎo)電性是最好的；最不活潑的是金，金在加熱條件下也難以與氧氣反應(yīng)，“真金不怕火煉”就是這個意思；鈉能與冷水劇烈反應(yīng)，是以上金屬中最活潑的；既能跟酸反應(yīng)，又能跟堿溶液反應(yīng)的物質(zhì)除了鋁之外，千萬不要忘記鈉也能與堿溶液中的水反應(yīng)。 答案：鈉、鎂、鋁　銀　金　鈉　鈉　鋁、鈉 6．金屬材料 (1)重要的黑色金屬材料——鋼鐵 鋼鐵是指含有鐵單質(zhì)和其他物質(zhì)的混合物，其他物質(zhì)可以是金屬單質(zhì)，也可以是非金屬單質(zhì)。通常根據(jù)鋼鐵中碳元素的含量多少來分類。 ①生鐵：含碳量2%～4.3%，硬度大，但較脆且不易機械加工。 ②普通鋼：含碳量0.03%～2%，增加了鐵錳等元素，改善了鐵的性能，但易銹蝕。 ③不銹鋼：在普通鋼基礎(chǔ)上，加入鉻鎳等元素，含鉻量一般在12%以上，在空氣中能保持金屬光澤，且有不生銹的特性。 說明：由于鉻元素的加入，能使鋼材表面形成致密且堅固的氧化膜，防止內(nèi)部鐵與外界物質(zhì)接觸。鎳元素的加入，使不銹鋼在酸堿鹽的水溶液中也能具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性。 (2)幾種有色金屬材料——金、銀、銅 ①物理性質(zhì)及用途比較 主要性質(zhì) 主要用途 金 質(zhì)地柔軟、呈黃色的金屬，有良好的延展性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性?；瘜W(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定 在電子工業(yè)、航空航天工業(yè)等許多重要的領(lǐng)域都需要一定量的金或金合金，一些首飾、獎牌也是用金制成或鍍金的 銀 有金屬光澤、質(zhì)地柔軟的銀白色金屬，有良好的延展性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性?；瘜W(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，比金活潑 在有機合成、能源開發(fā)、材料制造等許多重要的領(lǐng)域都需要一定的銀。一些首飾、獎牌也是用銀制成或鍍銀的 銅 硬度較小的紫紅色金屬，有良好的延展性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性?；瘜W(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，比銀活潑 在電氣和電子工業(yè)中主要用于制造電線、通訊電纜等，在此方面的用量占銅的工業(yè)總用量的一半左右。另外，在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)、建筑業(yè)及殺菌等科技領(lǐng)域方面也有較大量的應(yīng)用；銅還是主要的電鍍材料之一 在金屬中，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性最好的金屬是銀；延展性最好的金屬是金，金可以壓成非常薄的金箔。 (2)金、銀、銅的化學(xué)性質(zhì)介紹 金、銀、銅都屬于不活潑的金屬，其中金的化學(xué)性質(zhì)尤為穩(wěn)定。 常溫下，銅在干燥的空氣中性質(zhì)穩(wěn)定，但在潮濕的空氣里則會被銹蝕，在其表面逐漸形成一層綠色的銅銹，反應(yīng)方程式為： 2Cu＋O2＋H2O＋CO2===Cu2(OH)2CO3(堿式碳酸銅) 在加熱或點燃條件下，銅能與許多非金屬反應(yīng)，例如： 2Cu＋O22CuO　2Cu＋SCu2S　Cu＋Cl2CuCl2 銅可與熱的濃硫酸反應(yīng)： Cu＋2H2SO4(濃)CuSO4＋SO2↑＋2H2O 常溫下，銅可被硝酸溶解。 3Cu＋8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O Cu＋4HNO3(濃)===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O 銅及其化合物之間可以相互轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化時常常伴有顏色變化，如黑色的氧化銅在高溫下轉(zhuǎn)化為紅色的氧化亞銅，藍(lán)色的硫酸銅晶體(CuSO45H2O)受熱分解為白色的硫酸銅粉末。 4CuO2Cu2O＋O2↑　CuSO45H2OCuSO4＋5H2O 熱的濃硫酸可將銀氧化： 2Ag＋2H2SO4(濃)Ag2SO4＋2H2O＋SO2↑ 在常溫下銀可被硝酸氧化： 3Ag＋4HNO3(稀)===3AgNO3＋2H2O＋NO↑ Ag＋2HNO3(濃)===AgNO3＋H2O＋NO2↑ 金屬材料的開發(fā)一直是材料科學(xué)的研究熱點，一些新的金屬材料相繼被開發(fā)出來并應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和高科技領(lǐng)域。例如，鈾(U)用作核電廠反應(yīng)堆的核燃料，镅(Am)在煙霧探測器中用作煙霧監(jiān)測材料。特別是被譽為“21世紀(jì)的金屬”——鈦(Ti)的應(yīng)用前景更為廣闊。 【例6】 下列說法中，正確的是(　　) A．鐵是人類在生產(chǎn)、生活中最早使用的金屬 B．金、銀、銅是應(yīng)用最廣泛的金屬材料 C．鈦被譽為“21世紀(jì)的金屬”，應(yīng)用前景很廣闊 D．銅是導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性最好的有色金屬 解析：人類在生產(chǎn)、生活中最早使用的金屬是銅而不是鐵；應(yīng)用最廣泛的金屬材料應(yīng)是黑色金屬材料，即鐵、錳、鉻以及它們的合金，而不是金、銀、銅等有色金屬材料；金屬鈦因性能優(yōu)良、蘊藏量大，被譽為“21世紀(jì)的金屬”，應(yīng)用前景廣闊；銀的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性是金屬中最好的，銅的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性僅次于銀。 答案：C 7．四羥基合鋁酸鹽及含鋁化合物之間的相互轉(zhuǎn)化 (1)四羥基合鋁酸鹽 金屬鋁、氧化鋁、氫氧化鋁等跟堿溶液反應(yīng)生成的含鋁化合物，叫做四羥基合鋁酸鹽，例如Na[Al(OH)4](四羥基合鋁酸鈉)、K[Al(OH)4](四羥基合鋁酸鉀)、Ba[Al(OH)4]2(四羥基合鋁酸鋇)等。 一般的四羥基合鋁酸鹽可溶于水，易電離。例如： Na[Al(OH)4]===Na＋＋[Al(OH)4]－ [Al(OH)4]－能跟酸溶液發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)化為Al(OH)3沉淀。例如： [Al(OH)4]－＋H＋===Al(OH)3↓＋H2O 2[Al(OH)4]－＋CO2===2Al(OH)3↓＋CO＋H2O(CO2量較少) [Al(OH)4]－＋CO2===Al(OH)3↓＋HCO(CO2過量) [Al(OH)4]－還能在溶液里跟Al3＋反應(yīng)生成Al(OH)3沉淀。例如： 3[Al(OH)4]－＋Al3＋===4Al(OH)3↓ (2)含鋁化合物之間的相互轉(zhuǎn)化 含鋁的化合物——Al3＋、Al(OH)3、[Al(OH)4]－之間有如下轉(zhuǎn)化關(guān)系。 上述轉(zhuǎn)化關(guān)系中有關(guān)反應(yīng)的離子方程式為： ①Al3＋＋3OH－===Al(OH)3↓ ②Al3＋＋4OH－===[Al(OH)4]－ ③Al(OH)3＋3H＋===Al3＋＋3H2O ④Al(OH)3＋OH－===[Al(OH)4]－ ⑤[Al(OH)4]－＋H＋===Al(OH)3↓＋H2O ⑥[Al(OH)4]－＋4H＋===Al3＋＋4H2O 析規(guī)律 既能與強酸反應(yīng)，又能與強堿反應(yīng)的物質(zhì)：主要有兩性氧化物(如Al2O3)、兩性氫氧化物[如Al(OH)3]、弱酸的酸式鹽(如NaHCO3)、弱酸的銨鹽[如(NH4)2S]、鋁等。 【例7－1】 下面是以鋁屑為原料制備Al(OH)3的三種實驗設(shè)計方案： 方案一：用稀硫酸與鋁屑反應(yīng)，使鋁轉(zhuǎn)化成Al3＋，再用NaOH溶液將Al3＋沉淀，生成Al(OH)3； 方案二：用鋁屑與NaOH溶液反應(yīng)，再用稀硫酸與Na[Al(OH)4]反應(yīng)得到Al(OH)3； 方案三：用鋁屑分別與稀硫酸和NaOH溶液反應(yīng)，然后將得到的鹽溶液混合，過濾，再將得到的沉淀洗滌，即可得到Al(OH)3。 綜合比較以上三種實驗設(shè)計方案，你認(rèn)為哪種最好？原因是什么？ 解析： 方案一 不好 用NaOH溶液沉淀Al3＋，有可能使生成的Al(OH)3溶解，也有可能使Al3＋沉淀不完全，即NaOH溶液的量不易控制 方案二 不好 用稀硫酸與Na[Al(OH)4]反應(yīng)，也有可能出現(xiàn)稀硫酸過量使Al(OH)3溶解或稀硫酸量少沉淀不完全的問題 方案三 好 將所需的鋁按1∶3的比例分為兩份，少的一份與稀硫酸反應(yīng)：2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑，多的一份與NaOH溶液反應(yīng)：2Al＋2OH－＋6H2O===2[Al(OH)4]－＋3H2↑，然后將兩份反應(yīng)后的溶液混合：Al3＋＋3[Al(OH)4]－===4Al(OH)3↓，操作簡單且好控制反應(yīng)物的量。另外，從消耗反應(yīng)物的量來看，全部恰好完全反應(yīng)時每生成1 mol Al(OH)3，方案一需消耗H＋和OH－各3 mol；方案二需消耗H＋和OH－各1 mol；方案三需消耗H＋和OH－各 mol。因此，綜合分析，方案三最佳。 答案：方案三最好，因為該方案最節(jié)約藥品且可回收副產(chǎn)品Na2SO4，而且也最易操作。 【例7－2】 下列各種物質(zhì)既能與強酸反應(yīng)又能與強堿反應(yīng)的是(　　) ①Al　②AlCl3?、跱a[Al(OH)4]?、蹵l(OH)3?、軦l2O3 A．①②③④⑤　　　　　　　　 B．①③④⑤ C．④⑤ D．①④⑤ 解析：鋁與酸反應(yīng)生成鹽和氫氣，與堿反應(yīng)生成Na[Al(OH)4]和氫氣，Al(OH)3和Al2O3顯兩性，而AlCl3只能與堿反應(yīng)，Na[Al(OH)4]只能與酸反應(yīng)，所以①④⑤正確。 答案：D 8．含鋁化合物相互轉(zhuǎn)化的圖像 (1)可溶性鋁鹽溶液與NaOH溶液反應(yīng)的圖像 操作 可溶性鋁鹽溶液中逐滴加NaOH溶液至過量 NaOH溶液中逐滴加可溶性鋁鹽溶液至過量 現(xiàn)象 立即產(chǎn)生白色沉淀→漸多→最多→漸少→消失 無沉淀(有但即溶)→出現(xiàn)沉淀→漸多→最多→沉淀不變 圖像 離子方程式 Al3＋＋3OH－===Al(OH)3↓ Al(OH)3＋OH－===[Al(OH)4]－ Al3＋＋4OH－===[Al(OH)4]－ 3[Al(OH)4]－＋Al3＋===4Al(OH)3↓ (2)四羥基合鋁酸鹽溶液與鹽酸反應(yīng)的圖像 操作 四羥基合鋁酸鹽溶液中逐滴加稀鹽酸至過量 鹽酸中逐滴加四羥基合鋁酸鹽溶液至過量 現(xiàn)象 立即產(chǎn)生白色沉淀→漸多→最多→漸少→消失 無沉淀(有但即溶)→出現(xiàn)沉淀→漸多→最多→沉淀不變 圖像 離子方 程式 [Al(OH)4]－＋H＋===Al(OH)3↓＋H2O Al(OH)3＋3H＋===Al3＋＋3H2O [Al(OH)4]－＋4H＋===Al3＋＋4H2O Al3＋＋3[Al(OH)4]－===4Al(OH)3↓ (3)可溶性鋁鹽溶液與氨水反應(yīng)及四羥基合鋁酸鹽溶液與CO2反應(yīng)的圖像 操作 可溶性鋁鹽溶液中逐滴滴加氨水至過量 四羥基合鋁酸鹽溶液中緩慢通入CO2至過量 現(xiàn)象 立即產(chǎn)生白色沉淀→漸多→最多→沉淀不消失 立即產(chǎn)生白色沉淀→漸多→最多→沉淀不消失 圖像 離子方 程式 Al3＋＋3NH3H2O===Al(OH)3↓＋3NH 2[Al(OH)4]－＋CO2(少量)=== 2Al(OH)3↓＋CO＋H2O [Al(OH)4]－＋CO2(過量)===Al(OH)3↓＋HCO 對于圖像題，解題時應(yīng)仔細(xì)觀察圖像，分析得出相關(guān)信息。觀察圖像，重點看曲線的起點、拐點及最高點或最低點所對應(yīng)的數(shù)值，然后結(jié)合物質(zhì)性質(zhì)及相互反應(yīng)關(guān)系得出有關(guān)結(jié)論。 【例8－1】 將一定質(zhì)量的鎂鋁合金投入到100 mL一定物質(zhì)的量濃度的鹽酸中，合金全部溶解，向所得溶液中滴加5 molL－1的NaOH溶液到過量，生成沉淀的質(zhì)量與加入的NaOH溶液體積的關(guān)系如圖所示，求： (1)原合金中Mg、Al質(zhì)量各是多少？ (2)HCl的物質(zhì)的量濃度c(HCl)。 解析：分析化學(xué)圖像，要抓住有關(guān)化學(xué)原理、物質(zhì)的性質(zhì)和圖像的意義，尤其是圖像的特殊點，如原點、交點、轉(zhuǎn)折點、終點(曲線的極值點)。由圖像可知，11.6 g是Mg(OH)2的質(zhì)量，(19.4－11.6) g是Al(OH)3的質(zhì)量，V(NaOH)由0―→20 mL是中和鹽酸(因無沉淀)。 (1)設(shè)鎂、鋁的質(zhì)量分別為x、y Mg～Mg(OH)2，Al～Al(OH)3 24 58 27 78 x 11.6 g y 7.8 g 則x＝4.8 g，y＝2.7 g。 (2)當(dāng)V(NaOH)＝160 mL時，此時Mg2＋、Al3＋全部以Mg(OH)2、Al(OH)3沉淀形式存在，H＋和OH－又生成H2O，溶液中僅存在Cl－和Na＋，根據(jù)物質(zhì)守恒n(Cl－)＝n(Na＋)＝0.16 L5 molL－1＝0.8 mol，則n(HCl)＝0.8 mol，c(HCl)＝＝8 molL－1。 答案：(1)m(Mg)＝4.8 g；m(Al)＝2.7 g?！?2)c(HCl)＝8 molL－1。 【變式題】 向某硫酸鋁和硫酸鎂的混合溶液中逐滴加入2 molL－1的NaOH溶液，生成沉淀的質(zhì)量(m)與加入NaOH溶液體積的關(guān)系如圖所示，則原混合溶液中MgSO4與Al2(SO4)3的物質(zhì)的量濃度之比為(　　) A．2∶1　　　　　　　 B．1∶3 C．1∶2 D．1∶1 解析：分析圖像可知，沉淀Al3＋、Mg2＋共消耗NaOH溶液的體積為5體積，用于溶解Al(OH)3沉淀消耗1體積NaOH溶液，說明沉淀Al3＋用掉3體積NaOH溶液，沉淀Mg2＋消耗2體積NaOH溶液。則原溶液中n(Al3＋)∶n(Mg2＋)＝1∶1，換算成MgSO4和Al2(SO4)3的物質(zhì)的量之比為n(MgSO4)∶n[Al2(SO4)3]＝n(Mg2＋)∶n(Al3＋)＝2∶1，在同一溶液中，溶液體積相同，故物質(zhì)的量濃度之比等于物質(zhì)的量之比。 答案：A 【例8－2】 把x溶液(或氣體)慢慢加入(或通入)到一定量的y溶液中，產(chǎn)生的沉淀量與加入x的物質(zhì)的量的關(guān)系如圖所示，符合圖中曲線的是(　　) A．x為CO2，y為Ca(OH)2 B．x為NH3H2O，y為AlCl3 C．x為NaOH，y為AlCl3 D．x為HCl，y為Na[Al(OH)4] 解析：CO2通入Ca(OH)2溶液中可產(chǎn)生碳酸鈣沉淀，繼續(xù)通CO2沉淀溶解而生成Ca(HCO3)2溶液。氨水加入AlCl3溶液產(chǎn)生沉淀，但過量不溶，離子方程式為Al3＋＋3NH3H2O===Al(OH)3↓＋3NH。NaOH溶液滴加到AlCl3溶液中生成Al(OH)3沉淀，繼續(xù)加入沉淀溶解，生成四羥基合鋁酸鹽。 AlCl3＋3NaOH===Al(OH)3↓＋3NaCl Al(OH)3＋NaOH===Na[Al(OH)4] 鹽酸加入到Na[Al(OH)4]溶液中，先生成Al(OH)3沉淀，繼續(xù)加入沉淀溶解生成三價鋁鹽。 HCl＋Na[Al(OH)4]===Al(OH)3↓＋NaCl＋H2O Al(OH)3＋3HCl===AlCl3＋3H2O 觀察方程式的化學(xué)計量數(shù)，從定量角度分析，只有C選項符合題意。 答案：C