對一個經典化學圖像科學性的質疑及實驗探究

文章編號：1005－6629(2008)03－0069－03中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題提出

在某教輔讀物[1]上有如下的敘述：

若向含有Mg2+、Al3+混合溶液中滴和入NaOH溶液，則沉淀量與n(NaOH)的關系如圖1所示。

圖1

具體分析過程如下：

首先，加入NaOH溶液后，溶液中的Mg2+、Al3+會與OH反應生成沉淀，反應分別為Mg2++2OH-=Mg(OH)2↓、 Al3++3OH-=Al(OH)3↓， 當Mg2+、Al3+沉淀完全后，溶液中沉淀的物質的量達到最大值，就形成了OA段的圖像。

再滴加NaOH溶液，由于Al(OH)3為兩性氫氧化物，所以會繼續與NaOH 反應：Al(OH)3 +OH- =AlO22-+2H2O(也可以寫作： Al(OH)3+OH-=Al(OH)4-)，造成沉淀的物質的量逐漸減少，形成AB段圖像。

當Al(OH)3完全溶解后， 剩余的沉淀為Mg(OH)2， 此后，沉淀的物質的量不再隨加入NaOH的物質的量而改變，故可以形成圖1中B點后的圖像。

討論：上述圖像中認為，在逐滴加入NaOH溶液時，可以同時生成Mg(OH)2和Al(OH)3沉淀，問題是Mg2+、 Al3+可能同時沉淀嗎？對此，我們做了有關的研究。

2 理論探討

2.1 Al(OH)3的兩種電離方式

Al(OH)3是一種兩性氫氧化物，在水中可以存在兩種解離方式， 具體的解離方程式可以表示如下[2]

H2O+AlO2-+H+Al(OH)3 Al3++3OH-，這個解離方程式可以較好地說明 Al(OH)3的兩性， 既然Al(OH)3在水溶液中可以同時進行酸式和堿式解離，那么，Al(OH)3的水溶液顯酸性、中性、還是堿性？筆者通過查閱大量文獻[3]得知Al(OH)3的飽和溶液pH約為5.6， 因而Al(OH)3在水溶液中以酸式解離為主。

既然Al(OH)3的飽和溶液pH約為5.6，那么是否說明Al3+在酸性條件下就可以沉淀呢？而Mg(OH)2作為一種中強堿，在水溶液中只能顯堿性，那么Mg2+是否只能在堿性條件下沉淀呢？

2.2 沉淀的轉化理論

在化學反應中常常存在由一種沉淀轉化為另一種沉淀的現象，這種由一種沉淀轉化為另一種沉淀的過程叫沉淀的轉化[4]。沉淀之間的轉化之所以能夠進行，是由于一種沉淀的KSP比另一種沉淀的KSP小得多，可以根據沉淀轉化的平衡常數來判斷沉淀的轉化能否順利進行，對Mg(OH)2和Al(OH)3而言，在溶液中存在如下的平衡

Mg(OH)2(s)Mg2+(aq)+2OH-(aq)

Al3+(aq)+3OH-(aq) Al(OH)3(s)

總反應為

3Mg(OH)2(s)+2Al3+(aq) 3Mg2+(aq)+2Al(OH)3(s)

KSP[Mg(OH)2]=5.1×10-12；

KSP[Al(OH)3]=1.3×10-33，

它們的沉淀轉化平衡常數為

從上述的沉淀轉化平衡常數來看，這個反應不僅能夠進行，而且進行得很徹底。

2.3分步沉淀理論

在溶液中往往存在多種離子，在化工生產和化學實驗中經常遇到在一定條件下使一種離子先沉淀，而其他離子在另外條件下沉淀的現象，這種現象叫作分步沉淀或稱選擇性沉淀。

若Mg2+、Al3+兩種離子的濃度都是1mol·L-1，根據它們的KSP可以計算出二者能分離的溶液pH范圍。

根據KSP[Al(OH)3]=[Al3+][OH-]3=1.3×10-33， Al(OH)3開始沉淀時的pH

Al(OH)3沉淀完全時的pH

(注：溶液中離子濃度低于1.0×10-5mol·L-1可認為其沉淀完全)。

同理，根據KSP[Mg(OH)2]=5.1×10-12， 可以計算出Mg(OH)2開始沉淀的pH=8.4，Mg(OH)2沉淀完全的pH=10.9。

這樣，可以計算出其他難溶金屬氫氧化物在不同濃度時沉淀的溶液pH，見圖2。

圖2一些金屬氫氧化物的溶解度-pH關系圖

由此可見，在理論上，Al3+在pH=3.0時即可生成沉淀，而Mg2+開始沉淀則溶液的pH應該大于8.4，如果是逐滴加入NaOH溶液，則應該先生成Al(OH)3沉淀， 而不是圖1中認為的Mg(OH)2和Al(OH)3同時生成。在實際工作中溶液的情況比較復雜，各種反應的干擾，都會使實際沉淀的pH與理論計算值有一定的出入(見表1)[5]。

表1沉淀的生成、溶解與溶液的pH之間的關系

(離子初始濃度為1mol·L-1)

由表1我們可以再次確認： Mg(OH)2和Al(OH)3兩種沉淀是不可能同時生成的。因而試題圖1所示的關系是不合理的。

3 提出假設

既然資料所給出的圖示關系是不正確的，那么正確的應該是什么樣的呢？由表1所提供的數據我們可以從理論上進行分析：

首先，加入NaOH溶液后，應該先生成Al(OH)3沉淀(pH介于3.3～5.2)： Al3++3OH-=Al(OH)3↓。

繼續加入NaOH溶液，就出現新的問題了，由表1所提供的數據看應該是 Al(OH)3先溶解(pH=7.8時)： (Al(OH)3+OH- Al(OH)4， 后才是Mg2+沉淀(pH=10.4)： Mg2++2OH-=Mg(OH)2↓。 但是Al(OH)4-與Mg2+之間能否發生如下的反應呢？

2Al(OH)4-+Mg2+ Mg(OH)2↓+2Al(OH)3↓

該反應的平衡常數應為

由該平衡常數可以看出，該反應不僅可以進行，而且進行得比較徹底。

由上述理論分析得知：向含有Mg2+、Al3+混合溶液中滴入NaOH溶液，不能看作兩個獨立的過程，應該從整體上考慮。

在溶液pH介于7.8～12.4范圍內， 僅是Mg(OH)2沉淀增加的階段，溶液中的沉淀的量應該繼續增加，但增加的幅度有所變化，即沉淀量與n(NaOH)關系中曲線的斜率會產生變化，而不是如圖1所示曲線的斜率一直不變。

有資料[7]也顯示我們的推論是正確的。

那么實驗中是否能觀察到上面的推論呢？

4 實驗研究

[實驗1]分別配置0.5mol·L-1 AlCl3、MgCl2溶液50mL，各取30mL于同一燒杯中，充分混合后分成兩份，向兩份混合溶液中逐滴加入NaOH溶液，邊滴邊充分振蕩，并進行相關的實驗操作，記錄有關的現象。

實驗現象：向其中一份混合溶液中加入NaOH溶液后，溶液中立刻生成白色絮狀沉淀，當生成少量的沉淀時，用pH試紙測得溶液的pH約為5，在此時將溶液中的沉淀過濾并洗滌，向濾出的沉淀中加過量的NaOH溶液，發現沉淀完全溶解。

向另一份混合溶液中滴入2滴酚酞，逐滴加入NaOH溶液后，在溶液中生成大量的白色絮狀沉淀但溶液的顏色不發生變化；繼續滴加NaOH溶液，在某一時刻溶液變為糊狀，但溶液仍不變色，pH試紙測得溶液的pH約為6；抽濾該糊狀物質，充分洗滌后再向該物質中滴加過量的NaOH溶液，發現該物質全部溶解。

分析：該實驗表明在開始階段，溶液中只能生成Al(OH)3沉淀， 而沒有Mg(OH)2。

[實驗2]分別配置0.5mol·L-1 AlCl3、MgCl2溶液50mL，各取30mL于不同的燒杯中。向AlCl3溶液中逐滴加入NaOH溶液，并且邊加邊振蕩，直到生成的沉淀恰好全部溶解以保證AlCl3恰好全部轉化為NaAlO2。將先前配好的30mL MgCl2溶液全部到入生成的NaAlO2溶液中，可以發現生成大量的沉淀。

分析：該實驗表明在溶液中發生了反應2AlO2-+Mg2++4H2O Mg(OH)2↓+2Al(OH)3↓

5 研究結論

基于上述的理論分析與實驗研究，正確曲線關系應如圖3所示

圖3 等物質的量濃度的Mg2+、Al3+溶液與

NaOH反應n(沉淀)-n(NaOH)的關系

首先，應該生成Al(OH)3的沉淀反應(pH介于3.3～5.2) Al3++3OH-=Al(OH)3↓

再滴加NaOH溶液， 才生成 Mg(OH)2 沉淀： Mg2+ +2OH-=Mg(OH)2↓， 沉淀的物質的量繼續增加，但是由于在此階段生成的沉淀的物質的量與加入NaOH的比例與前面生成Al(OH)3的有些不同，所以此時圖中曲線的斜率有所變化。

當Mg2+完全沉淀后，加入NaOH溶液， Al(OH)3溶于NaOH溶液： Al(OH)3+OH- AlO2-+2H2O，此時沉淀的物質的量要減少。當Al(OH)3全部溶于NaOH溶液后，沉淀的物質的量不再改變。各階段發生的離子方程式如下：

OA段： Al3++3OH-Al(OH)3↓

AB段： Mg2++2OH-Mg(OH)2↓

BC段： Al(OH)3+OH-AlO2+2H2O

由于該過程涉及較多的理論，因而筆者認為該題不宜用于中學化學教學。

該習題的目的是考慮 Al(OH)3 的兩性，基于該目的，筆者認為可以將題目中的Mg2+換為Fe3+，即：向含有Fe3+、Al3+混合溶液中滴入NaOH溶液，此時形成的曲線關系則如圖1所示，因為Fe3+與Al3+一樣為三價陽離子，不存在斜率的變化。

6 一點啟示—用自己的大腦來思考問題

近讀作家周國平談攝影藝術的文章[7]，內中提到：“每個人都睜著眼睛，但不等于每個人都在看世界。許多人幾乎不用自己的眼睛看，他們只聽到別人說，他們看到世界永遠是別人說的樣子。人們在人云亦云中視而不見，世界就變成了一個雷同的模式。一個人真正用自己的眼睛看，就會看見那些不能用模式概括的東西，看見一個與眾不同的世界。”

在今天的化學教育中我們似乎遇到了大量的雷同模式，每個人都在重復別人說過的東西，每個人都在研究別人研究過的東西，至于某些經典的東西為什么是這樣子的？權威這么說的，別人都是這么說的。那你自己思考過嗎？用我們自己的大腦來思考問題，我們的化學教育才有大放光彩的那一天。

參考文獻：

[1]王后雄主編.高二化學(上)重難點手冊[M].華中師范大學出版社，2007：275-276.

[2]高中化學必修第二冊[S].人民教育出版社，2003：82.

[3]何家忠.研究性學習巧奪千峰秀色[J].化學教育，2005(4):27-45.

[4]華彤文等.普通化學原理[M].北京大學出版社，1993:179-184.

[5]實用化學手冊[S].科學出版社，2003：552-553.

[6]大連理工大學無機化學教研室編[M].無機化學.高等教育出版社，2002:168.

[7]李鐵福， 鄒風華.水化鋁酸鎂的制備及其抗酸性能的研究[J].沈陽醫藥，1993(1).

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”