對氫氧化鋁沉淀圖象問題的深度探究

安徽 張茹英 湯 偉

一道好的經典習題，不僅可以錘煉學生的基礎知識，還可以較好地提升學生的學習能力，但隨著新課標的不斷深化和實施，教學過程中我們還要逐步滲透學科素養，過去僅僅注重知識與能力已經不能夠跟上時代的步伐，一些經典習題可能不再經典，甚至還可能會誤導學生或對學生傳播一些錯誤的、不科學的知識。例如關于Mg2+、Al3+離子在堿性條件下形成沉淀的圖象題可謂“經典”中的“經典”，下面我們重點針對該經典問題做出剖析。

一、問題提出

關于Mg2+、Al3+離子在堿性條件下形成沉淀的圖象問題，目前為止，在各教輔資料中特別常見，筆者做了市場調研，在10個不同教輔資料中均出現了如下相同或類似的習題(看來是因為“經典”，所以大部分編者會選編該試題)。

【“經典”題】1：將一定質量的鎂、鋁混合物投入200 mL稀硫酸中，固體全部溶解后，向所得溶液中加入5 mol·L-1的NaOH溶液，生成沉淀的物質的量與加入NaOH溶液的體積的變化如圖1所示：

圖1

則下列說法不正確的是

( )

A.鎂和鋁的總質量為9 g

B.最初20 mL NaOH溶液用于中和過量的硫酸

C.硫酸的物質的量濃度為2.5 mol·L-1

D.生成的氫氣在標準狀況下的體積為11.2 L

【答案】D

【“經典”題】2：在Al2(SO4)3和MgSO4的混合溶液中，滴加NaOH溶液，生成沉淀的量與滴入NaOH溶液的體積關系如圖2所示：

圖2

則原混合液中Al2(SO4)3和MgSO4的物質的量濃度之比為

( )

A.6∶1 B.3∶1 C.2∶1 D.1∶2

【答案】D

圖3

請填寫下列空白：

(1)在該溶液中含有的離子是，它們的物質的量濃度之比為。

(2)所加的淡黃色固體是(化學式)。

(2)Na2O2

分析上面圖象特點，我們可以發現Mg2+、Al3+在共存條件下滴加燒堿溶液，命題者認為二者會同時形成沉淀，事實果真如此嗎？

二、問題剖析

Mg2+、Al3+在共存條件下滴加燒堿溶液，是否能夠同時形成沉淀，我們借助化學的學科觀念“宏觀辨識與微觀探析”、“變化觀念與平衡思想”，借助化學的學科思維“證據推理與模型認知”，憑借化學的學科實踐“科學探究與創新意識”，本著化學的學科價值取向“科學態度與社會責任”，對該類經典的問題做出進一步剖析。因為試題特點一致，涉及反應本質相同，下面我們僅僅針對“經典”題1做出詳細剖析，其他訓練題類推即可。

事實果真如此嗎？

根據定量計算，我們會發現其結果會遠遠超出我們的預料之外。查閱教材，可以得出難溶性電解質的溶度積常數Ksp[Al(OH)3]=1.3×10-33，Ksp[Mg(OH)2]=5.6×10-12，針對上述試題，鎂、鋁混合物溶解于200 mL稀硫酸中，若溶液的體積變化忽略不計，我們容易得出溶液中離子的濃度：c(Al3+) ≈1.0 mol·L-1，c(Mg2+) ≈0.75 mol·L-1，由此我們可以計算出兩種離子開始形成沉淀和完全沉淀時的pH。首先我們可以計算推理得出該溶液各離子開始形成沉淀時的pH。

滴加NaOH溶液的過程中，顯然二者并非同時沉淀。

兩種離子完全形成沉淀時的pH又會是什么樣的結論呢？通常情況下，當離子濃度達到1.0×10-5mol·L-1時，我們一般認為沉淀完全。

結合以上計算結果，我們可以發現，當鋁離子完全沉淀后，鎂離子還沒有開始沉淀！以上經典的習題常常會錯誤認為滴加NaOH溶液時，二者會同時形成沉淀，于是命題人常常會想當然的編寫出了圖象！

針對Al(OH)3沉淀物，如果繼續滴加NaOH 溶液，二者能夠發生如下反應：Al(OH)3+NaOH=Na[Al(OH)4]，此時沉淀又發生溶解，查閱大學教材相關內容，可以得出Al(OH)3沉淀物開始溶解時的pH約為8.0，Al(OH)3沉淀完全溶解時的pH約為12.0。有些大學教材針對鋁鹽溶液中滴加NaOH溶液，溶液的pH與體系中鋁的各種微粒關系給出了如圖4所示的結論：

圖4

這與我們上面的定量計算結果基本上是一致的結論。

根據以上的剖析，我們可以進一步推斷得出，上述“經典”題1的沉淀變化曲線應該如圖5所示(或更為復雜)：

圖5

三、教學建議

經典試題本質上應該通過學生的訓練，達到鞏固基礎知識的同時還能夠進一步提升學生的學科素養和能力，一定不應該傳播錯誤的或偽科學知識。針對以上Mg2+、Al3+在堿性條件下形成沉淀的話題，我們希望在以后的教學過程中，教師不要想當然的選編上述習題供學生訓練，在學生學習過程中讓學生認識到沉淀反應也存在競爭！要能夠辯證的看待該類反應，訓練過程中針對學生的認識層次，可以選編近年來高考出現的類似試題，引導學生分析高考命題者是如何回避該問題的，例如以下幾道高考試題：

2012年安徽高考13題：已知室溫下，Al(OH)3的Ksp或溶解度遠大于Fe(OH)3。向濃度均為0.1 mol·L-1的Fe(NO3)3和Al(NO3)3混合溶液中，逐滴加入NaOH溶液。下面圖6中表示生成Al(OH)3的物質的量與加入NaOH溶液的體積的關系，合理的是

( )

圖6

該試題B、C選項是站在常規的思維模式，考查學生的邏輯推理能力，而命題者在命制該試題時一定考慮了鐵離子、鋁離子共存時滴加NaOH溶液二者沉淀的先后順序問題。

【答案】C

再如下面安徽與廣東的兩道高考試題：

2014年安徽高考13題：室溫下，在0.2 mol·L-1Al2(SO4)3溶液中，逐滴加入1.0 mol·L-1NaOH溶液，實驗測得溶液pH隨NaOH溶液體積變化曲線如圖7所示，下列有關說法正確的是

( )

圖7

B.a～b段，溶液pH增大，Al3+濃度不變

C.b～c段，加入的OH-主要用于生成Al(OH)3沉淀

D.d點時，Al(OH)3沉淀開始溶解

【答案】C

2009年廣東高考24題：超細氧化鋁是一種重要的功能陶瓷原料。

(1)實驗室常以NH4Al(SO4)2和NH4HCO3為原料，在一定條件下先反應生成沉淀NH4AlO(OH)HCO3，該沉淀高溫分解即得超細Al2O3，NH4AlO(OH)HCO3熱分解的化學反應方程式為。

(2)NH4Al(SO4)2·12H2O的相對分子質量為453。欲配制100mL 、pH為2、濃度約為0.1 mol·L-1的NH4Al(SO4)2溶液，配制過程為：

①用托盤天平稱量NH4Al(SO4)2·12H2O固體g；

②將上述固體置于燒杯中。

(3)在0.1 mol·L-1NH4Al(SO4)2溶液中，鋁各形態的濃度(以Al3+計)的對數(lgc)隨溶液pH變化的關系如圖8所示：

圖8

NaOH溶液調節(2)中溶液pH至7，該過程中發生反應的離子方程式有。

(2)①4.5 ②再向燒杯中加入100 mL蒸餾水，充分攪拌至固體溶解

2014年安徽高考13題是在真實的數字實驗下測定出來的圖象，具有真實性、科學性，2009年廣東高考試題是在理論計算的前提下得出的圖象。仔細研究該試題，我們還能夠看出在不同的pH條件下，鋁元素是以不同微粒形式存在的，命題者這樣設計，才是真正的結論。