對氫氧化鋁溶于酸和堿的定量分析
2014-05-28 10:02:20李曉明
化學教與學 2014年5期
李曉明
摘要：針對氫氧化鋁不溶于弱酸和弱堿的說法進行了理論分析，得出氫氧化鋁是否溶于酸和堿并不是取決于酸堿性的強弱，而是取決于溶液的pH的結論，并就常見的弱酸與弱堿能否溶解氫氧化鋁進行了分析。
關鍵詞：氫氧化鋁；溶解；酸；堿；溶液的pH
文章編號：1008-0546（2014）05-0057-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.05.020
一、問題的提出
在實驗室制取Al（OH）3時，通常在可溶性的鋁鹽中滴加氨水；在工業上冶煉鋁的過程中制取Al（OH）3，是在偏鋁酸鈉溶液中通入過量的CO2。教師在向學生解釋為什么使用氨水和CO2來制取Al（OH）3時，通常是說Al（OH）3只能溶于強酸和強堿而不溶于弱酸和弱堿。這樣的認識是否科學嚴謹。為此，特作以下理論分析。
二、溶液中鋁各形態與溶液pH的關系
1. Al（OH）3開始沉淀時溶液的pH
Al（OH）3■Al3++3OH-
Ksp[Al（OH）3]=1.3×10-33
根據溶度積常數的定義，可得出Al（OH）3開始沉淀時溶液中OH-濃度與溶液中Al3+初始濃度的計算公式：
[OH-]=■（1）
將不同濃度的Al3+帶入（1）式，可計算出 Al（OH）3開始沉淀時溶液中OH-濃度及溶液的pH。計算結果如表1所示：
2. Al（OH）3沉淀完全時溶液的pH
根據分析化學，當溶液中某離子的殘留濃度小于或等于10-5mol·L-1時，可以認為沉淀完全。將10-5mol·L-1帶入（1）式，計算結果如表2所示：
3. Al（OH）3沉淀開始溶解和完全溶解時溶液的pH
Al3++4OH-■Al（OH）■■ K1=1.3×1033
Al（OH）3+OH-■Al（OH）■■
K2=■ =K1×KSP[Al（OH）3]=1.3×1033×1.3×10-33=1.69
當Al（OH）3溶解后，溶液中的OH-濃度可以表示如下：
[OH-]=■（2）
當溶液中 c[Al（OH）■■]=1.0×10-5mol·L-1時，認為Al（OH）3開始溶解；當溶液中鋁元素幾乎全部以Al（OH）■■形式存在時，可以認為Al（OH）3已經溶解完全。此時溶液中c[Al（OH）■■]和Al3+的起始濃度相等。根據（2）式，計算結果如表3所示：
4. Al（OH）3的s-pH圖
當Al3+的初始濃度分別為1.0mol·L-1、0.1mol·L-1和0.010mol·L-1時，以鋁各形態的濃度（以Al3+記）的對數（lgc）為縱坐標，以對應的pH為橫坐標作圖可得 Al（OH）3的s-pH。如圖1所示。
由Al（OH）3的s-pH圖可知，Al（OH）3的溶解性隨溶液pH的增大而減小。當溶液的pH過大時，Al（OH）3的溶解性又隨溶液pH的增大而增大。左端直線上的任一點為Al（OH）3的沉淀溶解平衡狀態，而右端直線上的任一點則表示Al（OH）3+OH-■Al（OH）■■ 的平衡狀態。鋁離子的初始濃度不同的情況下，使Al（OH）3發生溶解的pH均相同（分別為4.3和8.8）。當鋁離子的初始濃度不同時，使Al（OH）3完全溶解所需要的pH也不同；鋁離子濃度越大，使Al（OH）3完全溶解為Al3+所需的pH越小，完全溶解為[Al（OH）■■]所需的pH越大。在c（Al3+）=0.1mol·L-1的溶液中，Al（OH）3開始沉淀的pH為3.4；當pH為4.3時，Al（OH）3沉淀完全；當pH為8.8時，Al（OH）3又開始溶解；當pH=12.8時，Al（OH）3完全溶解為Al（OH）■■。所以當pH小于3.4時，溶液中存在的是 Al3+；pH=4.3～8.8為Al（OH）3存在范圍；pH>12.8時，溶液中鋁以Al（OH）■■形式存在。
三、 Al（OH）3能否溶于弱酸、弱堿的理論分析
c（Al3+）=0.1mol·L-1 時，常溫、常壓下飽和二氧化碳溶液的濃度為0.033mol·L-1，H2CO3的Ka1=4.5×10-7，
c（H+）=■=1.22×10-4mol·L-1 pH=3.9<4.3，所以可以使 Al（OH）3溶解，但由于pH大于3.4所以只能是部分溶解。而在1mol·L-1的醋酸中（Ka=1.8×10-5）中c（H+）=■=4.2×10-3mol·L-1 pH=2.4<3.4，所以1mol·L-1醋酸是可以將 Al（OH）3溶解的。
市售氨水（Kb=1.8×10-5）的濃度為15mol·L-1，其中c（OH-）=■=1.6×10-2mol·L-1 pOH=1.8 pH=12.2>8.8，所以濃氨水是可以將Al （OH）3溶解的，但又由于濃氨水的pH<12.8，所以并不能使其溶解完全。由（2）式可以求出每升溶液中溶解的Al（OH）3的質量：[Al（OH）-4]=[OH-]×K2=1.6×10-2×1.69=0.027mol·L-1 ，即每升溶液中可以溶解0.027mol的Al （OH）3，質量為0.027mol×78g·L-1=2.1g 。溶解度約為0.21g屬于微溶的范圍。
實驗室中用氨水和鋁鹽反應制備Al （OH）3時，所選用的鋁鹽的濃度一般較大，氨水的選用也不會用15mol·L-1的濃氨水，如蘇教版《化學1》（2009年6月第5版）中是在2mol·L-1AlCl3中，逐滴滴加6mol·L-1的氨水。同時，又由于并沒有將生成的Al（OH）3分離出來，再繼續滴加氨水時，由于同離子（NH+4）效應，抑制了氨水的電離，會使c（OH-）降低，就會使溶解的Al（OH）3的量更少。所以用氨水和鋁鹽反應仍然是非常成功的制備Al（OH）3方法。
在工業上通常將在過量的CO2通入偏鋁酸鈉溶液的目的之一就是使溶液中的溶質主要為堿性較弱的NaHCO3而不是堿性較強的Na2CO3，以減少Al（OH）3的溶解損失。
由以上分析可知，Al（OH）3能否溶解取決于溶液的pH，而不應從酸堿的強弱去判斷，如果弱酸或強堿能夠達到Al（OH）3溶解的pH，也可使其溶解。如果強酸和強堿的濃度很小，也會達不到溶解Al（OH）3所需的pH。在中學階段我們教師要多從定量的角度去理解知識，而少下絕對化的、簡單的、定性化的結論。
參考文獻
[1] 戴建良，王海富.一道有關氫氧化鋁的習題的深度剖析[J]. 化學教學，2012，（2）
[2] 張向宇. 實用化學手冊[M]. 北京：國防工業出版社，2011：629
[3] 唐宗薰. 無機化學熱力學[M]：科學出版社，2010：107～108
[4] 林凱. 漫談氫氧化鋁的兩性[J]. 化學教學，2005，（10）：61endprint
摘要：針對氫氧化鋁不溶于弱酸和弱堿的說法進行了理論分析，得出氫氧化鋁是否溶于酸和堿并不是取決于酸堿性的強弱，而是取決于溶液的pH的結論，并就常見的弱酸與弱堿能否溶解氫氧化鋁進行了分析。
關鍵詞：氫氧化鋁；溶解；酸；堿；溶液的pH
文章編號：1008-0546（2014）05-0057-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.05.020
一、問題的提出
在實驗室制取Al（OH）3時，通常在可溶性的鋁鹽中滴加氨水；在工業上冶煉鋁的過程中制取Al（OH）3，是在偏鋁酸鈉溶液中通入過量的CO2。教師在向學生解釋為什么使用氨水和CO2來制取Al（OH）3時，通常是說Al（OH）3只能溶于強酸和強堿而不溶于弱酸和弱堿。這樣的認識是否科學嚴謹。為此，特作以下理論分析。
二、溶液中鋁各形態與溶液pH的關系
1. Al（OH）3開始沉淀時溶液的pH
Al（OH）3■Al3++3OH-
Ksp[Al（OH）3]=1.3×10-33
根據溶度積常數的定義，可得出Al（OH）3開始沉淀時溶液中OH-濃度與溶液中Al3+初始濃度的計算公式：
[OH-]=■（1）
將不同濃度的Al3+帶入（1）式，可計算出 Al（OH）3開始沉淀時溶液中OH-濃度及溶液的pH。計算結果如表1所示：
2. Al（OH）3沉淀完全時溶液的pH
根據分析化學，當溶液中某離子的殘留濃度小于或等于10-5mol·L-1時，可以認為沉淀完全。將10-5mol·L-1帶入（1）式，計算結果如表2所示：
3. Al（OH）3沉淀開始溶解和完全溶解時溶液的pH
Al3++4OH-■Al（OH）■■ K1=1.3×1033
Al（OH）3+OH-■Al（OH）■■
K2=■ =K1×KSP[Al（OH）3]=1.3×1033×1.3×10-33=1.69
當Al（OH）3溶解后，溶液中的OH-濃度可以表示如下：
[OH-]=■（2）
當溶液中 c[Al（OH）■■]=1.0×10-5mol·L-1時，認為Al（OH）3開始溶解；當溶液中鋁元素幾乎全部以Al（OH）■■形式存在時，可以認為Al（OH）3已經溶解完全。此時溶液中c[Al（OH）■■]和Al3+的起始濃度相等。根據（2）式，計算結果如表3所示：
4. Al（OH）3的s-pH圖
當Al3+的初始濃度分別為1.0mol·L-1、0.1mol·L-1和0.010mol·L-1時，以鋁各形態的濃度（以Al3+記）的對數（lgc）為縱坐標，以對應的pH為橫坐標作圖可得 Al（OH）3的s-pH。如圖1所示。
由Al（OH）3的s-pH圖可知，Al（OH）3的溶解性隨溶液pH的增大而減小。當溶液的pH過大時，Al（OH）3的溶解性又隨溶液pH的增大而增大。左端直線上的任一點為Al（OH）3的沉淀溶解平衡狀態，而右端直線上的任一點則表示Al（OH）3+OH-■Al（OH）■■ 的平衡狀態。鋁離子的初始濃度不同的情況下，使Al（OH）3發生溶解的pH均相同（分別為4.3和8.8）。當鋁離子的初始濃度不同時，使Al（OH）3完全溶解所需要的pH也不同；鋁離子濃度越大，使Al（OH）3完全溶解為Al3+所需的pH越小，完全溶解為[Al（OH）■■]所需的pH越大。在c（Al3+）=0.1mol·L-1的溶液中，Al（OH）3開始沉淀的pH為3.4；當pH為4.3時，Al（OH）3沉淀完全；當pH為8.8時，Al（OH）3又開始溶解；當pH=12.8時，Al（OH）3完全溶解為Al（OH）■■。所以當pH小于3.4時，溶液中存在的是 Al3+；pH=4.3～8.8為Al（OH）3存在范圍；pH>12.8時，溶液中鋁以Al（OH）■■形式存在。
三、 Al（OH）3能否溶于弱酸、弱堿的理論分析
c（Al3+）=0.1mol·L-1 時，常溫、常壓下飽和二氧化碳溶液的濃度為0.033mol·L-1，H2CO3的Ka1=4.5×10-7，
c（H+）=■=1.22×10-4mol·L-1 pH=3.9<4.3，所以可以使 Al（OH）3溶解，但由于pH大于3.4所以只能是部分溶解。而在1mol·L-1的醋酸中（Ka=1.8×10-5）中c（H+）=■=4.2×10-3mol·L-1 pH=2.4<3.4，所以1mol·L-1醋酸是可以將 Al（OH）3溶解的。
市售氨水（Kb=1.8×10-5）的濃度為15mol·L-1，其中c（OH-）=■=1.6×10-2mol·L-1 pOH=1.8 pH=12.2>8.8，所以濃氨水是可以將Al （OH）3溶解的，但又由于濃氨水的pH<12.8，所以并不能使其溶解完全。由（2）式可以求出每升溶液中溶解的Al（OH）3的質量：[Al（OH）-4]=[OH-]×K2=1.6×10-2×1.69=0.027mol·L-1 ，即每升溶液中可以溶解0.027mol的Al （OH）3，質量為0.027mol×78g·L-1=2.1g 。溶解度約為0.21g屬于微溶的范圍。
實驗室中用氨水和鋁鹽反應制備Al （OH）3時，所選用的鋁鹽的濃度一般較大，氨水的選用也不會用15mol·L-1的濃氨水，如蘇教版《化學1》（2009年6月第5版）中是在2mol·L-1AlCl3中，逐滴滴加6mol·L-1的氨水。同時，又由于并沒有將生成的Al（OH）3分離出來，再繼續滴加氨水時，由于同離子（NH+4）效應，抑制了氨水的電離，會使c（OH-）降低，就會使溶解的Al（OH）3的量更少。所以用氨水和鋁鹽反應仍然是非常成功的制備Al（OH）3方法。
在工業上通常將在過量的CO2通入偏鋁酸鈉溶液的目的之一就是使溶液中的溶質主要為堿性較弱的NaHCO3而不是堿性較強的Na2CO3，以減少Al（OH）3的溶解損失。
由以上分析可知，Al（OH）3能否溶解取決于溶液的pH，而不應從酸堿的強弱去判斷，如果弱酸或強堿能夠達到Al（OH）3溶解的pH，也可使其溶解。如果強酸和強堿的濃度很小，也會達不到溶解Al（OH）3所需的pH。在中學階段我們教師要多從定量的角度去理解知識，而少下絕對化的、簡單的、定性化的結論。
參考文獻
[1] 戴建良，王海富.一道有關氫氧化鋁的習題的深度剖析[J]. 化學教學，2012，（2）
[2] 張向宇. 實用化學手冊[M]. 北京：國防工業出版社，2011：629
[3] 唐宗薰. 無機化學熱力學[M]：科學出版社，2010：107～108
[4] 林凱. 漫談氫氧化鋁的兩性[J]. 化學教學，2005，（10）：61endprint
摘要：針對氫氧化鋁不溶于弱酸和弱堿的說法進行了理論分析，得出氫氧化鋁是否溶于酸和堿并不是取決于酸堿性的強弱，而是取決于溶液的pH的結論，并就常見的弱酸與弱堿能否溶解氫氧化鋁進行了分析。
關鍵詞：氫氧化鋁；溶解；酸；堿；溶液的pH
文章編號：1008-0546（2014）05-0057-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.05.020
一、問題的提出
在實驗室制取Al（OH）3時，通常在可溶性的鋁鹽中滴加氨水；在工業上冶煉鋁的過程中制取Al（OH）3，是在偏鋁酸鈉溶液中通入過量的CO2。教師在向學生解釋為什么使用氨水和CO2來制取Al（OH）3時，通常是說Al（OH）3只能溶于強酸和強堿而不溶于弱酸和弱堿。這樣的認識是否科學嚴謹。為此，特作以下理論分析。
二、溶液中鋁各形態與溶液pH的關系
1. Al（OH）3開始沉淀時溶液的pH
Al（OH）3■Al3++3OH-
Ksp[Al（OH）3]=1.3×10-33
根據溶度積常數的定義，可得出Al（OH）3開始沉淀時溶液中OH-濃度與溶液中Al3+初始濃度的計算公式：
[OH-]=■（1）
將不同濃度的Al3+帶入（1）式，可計算出 Al（OH）3開始沉淀時溶液中OH-濃度及溶液的pH。計算結果如表1所示：
2. Al（OH）3沉淀完全時溶液的pH
根據分析化學，當溶液中某離子的殘留濃度小于或等于10-5mol·L-1時，可以認為沉淀完全。將10-5mol·L-1帶入（1）式，計算結果如表2所示：
3. Al（OH）3沉淀開始溶解和完全溶解時溶液的pH
Al3++4OH-■Al（OH）■■ K1=1.3×1033
Al（OH）3+OH-■Al（OH）■■
K2=■ =K1×KSP[Al（OH）3]=1.3×1033×1.3×10-33=1.69
當Al（OH）3溶解后，溶液中的OH-濃度可以表示如下：
[OH-]=■（2）
當溶液中 c[Al（OH）■■]=1.0×10-5mol·L-1時，認為Al（OH）3開始溶解；當溶液中鋁元素幾乎全部以Al（OH）■■形式存在時，可以認為Al（OH）3已經溶解完全。此時溶液中c[Al（OH）■■]和Al3+的起始濃度相等。根據（2）式，計算結果如表3所示：
4. Al（OH）3的s-pH圖
當Al3+的初始濃度分別為1.0mol·L-1、0.1mol·L-1和0.010mol·L-1時，以鋁各形態的濃度（以Al3+記）的對數（lgc）為縱坐標，以對應的pH為橫坐標作圖可得 Al（OH）3的s-pH。如圖1所示。
由Al（OH）3的s-pH圖可知，Al（OH）3的溶解性隨溶液pH的增大而減小。當溶液的pH過大時，Al（OH）3的溶解性又隨溶液pH的增大而增大。左端直線上的任一點為Al（OH）3的沉淀溶解平衡狀態，而右端直線上的任一點則表示Al（OH）3+OH-■Al（OH）■■ 的平衡狀態。鋁離子的初始濃度不同的情況下，使Al（OH）3發生溶解的pH均相同（分別為4.3和8.8）。當鋁離子的初始濃度不同時，使Al（OH）3完全溶解所需要的pH也不同；鋁離子濃度越大，使Al（OH）3完全溶解為Al3+所需的pH越小，完全溶解為[Al（OH）■■]所需的pH越大。在c（Al3+）=0.1mol·L-1的溶液中，Al（OH）3開始沉淀的pH為3.4；當pH為4.3時，Al（OH）3沉淀完全；當pH為8.8時，Al（OH）3又開始溶解；當pH=12.8時，Al（OH）3完全溶解為Al（OH）■■。所以當pH小于3.4時，溶液中存在的是 Al3+；pH=4.3～8.8為Al（OH）3存在范圍；pH>12.8時，溶液中鋁以Al（OH）■■形式存在。
三、 Al（OH）3能否溶于弱酸、弱堿的理論分析
c（Al3+）=0.1mol·L-1 時，常溫、常壓下飽和二氧化碳溶液的濃度為0.033mol·L-1，H2CO3的Ka1=4.5×10-7，
c（H+）=■=1.22×10-4mol·L-1 pH=3.9<4.3，所以可以使 Al（OH）3溶解，但由于pH大于3.4所以只能是部分溶解。而在1mol·L-1的醋酸中（Ka=1.8×10-5）中c（H+）=■=4.2×10-3mol·L-1 pH=2.4<3.4，所以1mol·L-1醋酸是可以將 Al（OH）3溶解的。
市售氨水（Kb=1.8×10-5）的濃度為15mol·L-1，其中c（OH-）=■=1.6×10-2mol·L-1 pOH=1.8 pH=12.2>8.8，所以濃氨水是可以將Al （OH）3溶解的，但又由于濃氨水的pH<12.8，所以并不能使其溶解完全。由（2）式可以求出每升溶液中溶解的Al（OH）3的質量：[Al（OH）-4]=[OH-]×K2=1.6×10-2×1.69=0.027mol·L-1 ，即每升溶液中可以溶解0.027mol的Al （OH）3，質量為0.027mol×78g·L-1=2.1g 。溶解度約為0.21g屬于微溶的范圍。
實驗室中用氨水和鋁鹽反應制備Al （OH）3時，所選用的鋁鹽的濃度一般較大，氨水的選用也不會用15mol·L-1的濃氨水，如蘇教版《化學1》（2009年6月第5版）中是在2mol·L-1AlCl3中，逐滴滴加6mol·L-1的氨水。同時，又由于并沒有將生成的Al（OH）3分離出來，再繼續滴加氨水時，由于同離子（NH+4）效應，抑制了氨水的電離，會使c（OH-）降低，就會使溶解的Al（OH）3的量更少。所以用氨水和鋁鹽反應仍然是非常成功的制備Al（OH）3方法。
在工業上通常將在過量的CO2通入偏鋁酸鈉溶液的目的之一就是使溶液中的溶質主要為堿性較弱的NaHCO3而不是堿性較強的Na2CO3，以減少Al（OH）3的溶解損失。
由以上分析可知，Al（OH）3能否溶解取決于溶液的pH，而不應從酸堿的強弱去判斷，如果弱酸或強堿能夠達到Al（OH）3溶解的pH，也可使其溶解。如果強酸和強堿的濃度很小，也會達不到溶解Al（OH）3所需的pH。在中學階段我們教師要多從定量的角度去理解知識，而少下絕對化的、簡單的、定性化的結論。
參考文獻
[1] 戴建良，王海富.一道有關氫氧化鋁的習題的深度剖析[J]. 化學教學，2012，（2）
[2] 張向宇. 實用化學手冊[M]. 北京：國防工業出版社，2011：629
[3] 唐宗薰. 無機化學熱力學[M]：科學出版社，2010：107～108
[4] 林凱. 漫談氫氧化鋁的兩性[J]. 化學教學，2005，（10）：61endprint
