鋁粉與偏鋁酸鈉溶液反應(yīng)的實驗研究

楊頔

摘要：鋁是中學(xué)常見的元素，也是中學(xué)教學(xué)中為數(shù)不多的能與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的金屬單質(zhì)。作者研究了鋁粉與偏鋁酸鈉溶液的反應(yīng)，分析了實驗現(xiàn)象，提出了偏鋁酸鈉溶液的作用，并進一步分析了鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的過程。

關(guān)鍵詞：鋁粉;偏鋁酸鈉;實驗研究;證據(jù)推理

文章編號：1008-0546（ 2019） 09-0094-02

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.09.030

一、問題的提出

鋁與強酸、強堿溶液均能反應(yīng)，這是中學(xué)元素化合物教學(xué)的重要內(nèi)容，在元素周期律教學(xué)中同樣起到重要作用。有文獻表明[1]，鋁不僅能與氫氧化鈉溶液反應(yīng)，也能與氨水（pH=11.6）和碳酸鈉溶液（pH=12）反應(yīng)，生成偏鋁酸鈉和氫氣，溶液中的氫氧根離子起重要作用。偏鋁酸鈉溶液也呈堿性，它與鋁是否可以反應(yīng)？它與氨水、碳酸鈉溶液又有什么異同？筆者對此展開研究。

二、實驗過程與現(xiàn)象分析

[實驗1]鋁粉與蒸餾水和氫氧化鈉溶液（pH=13）反應(yīng)的對比，見表1（鋁粉在實驗中過量，下同）。

由以上實驗可知，鋁粉無論在常溫下還是加熱后，都很難與水反應(yīng)。常溫下鋁與氫氧化鈉溶液（pH=13）能反應(yīng)，加熱后反應(yīng)更快。由此說明，溶液中的氫氧根離子對鋁被氧化起到重要作用。有文獻[2]計算了鋁與水反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，在298K時，鋁與水反應(yīng)的熱力學(xué)趨勢很大，△G= -922.729kj/mol。因此，鋁粉很難與水反應(yīng)的原因，主要是因為鋁粉表面致密的氧化膜對鋁和水的阻隔。

[實驗2]鋁粉與pH均為13的偏鋁酸鈉和氫氧化鈉溶液反應(yīng)的對比（取偏鋁酸鈉固體，溶解后加入氫氧化鈉溶液，用pH試紙測其pH=13），見表2。

pH相同的兩種溶液，常溫下與鋁反應(yīng)的速率呈現(xiàn)較大區(qū)別，可推知偏鋁酸鈉溶液能夠較快破壞鋁粉表面的氧化膜，但其機制尚不清楚。對白色沉淀進行研究，設(shè)計以下實驗。

[實驗3]取帶有白色沉淀的濁液分成兩份，經(jīng)離心分離后得到固體。分別向兩份固體中加入氫氧化鈉溶液和鹽酸，沉淀未見明顯溶解。由此推知，該沉淀主要是a-Al203。

[實驗4]一段時間后進一步觀察現(xiàn)象，見表3。

氫氧化鈉溶液的pH不斷減小，原因是隨反應(yīng)進行，溶液中的氫氧根離子不斷被消耗，至24小時pH降至10左右，雖然存在氫氧根離子，但其與鋁反應(yīng)已經(jīng)較難。偏鋁酸鈉溶液的pH至24小時后幾乎不變（依舊為13），說明其中的氫氧根離子濃度幾乎不變。其原因是：Al02+2H20=Al（OH）3+OH-，當(dāng)溶液中的氫氧根離子與鋁反應(yīng)時，偏鋁酸根離子的水解平衡不斷正移，使氫氧根離子不斷被補充。而且鋁粉與氫氧根離子反應(yīng)又生成偏鋁酸根離子，使得偏鋁酸根離子也不斷被補充，偏鋁酸鈉溶液的濃度幾乎不變，因此反應(yīng)至24小時后的溶液pH幾乎不變，大量白色渾濁的產(chǎn)生也是偏鋁酸根離子水解平衡不斷正移所導(dǎo)致的。由以上實驗可以推知，鋁粉與偏鋁酸鈉溶液的總反應(yīng)，實際上是鋁粉和水的反應(yīng)，即2Al+ 3H20=Al203+3H2↑，偏鋁酸鈉從宏觀上起到催化作用。

取實驗4中鋁粉和偏鋁酸鈉溶液反應(yīng)至24小時后的濁液，經(jīng)離心分離固體，向上層清液中滴加O.lmol/L鹽酸，出現(xiàn)大量白色沉淀。繼續(xù)滴加鹽酸，沉淀溶解。由此可知，上層清液中確實含有大量偏鋁酸根離子，證實其并未被大量消耗。

實驗4中鋁粉和氫氧化鈉溶液反應(yīng)至24小時，出現(xiàn)了白色膠狀渾濁，其外觀與氫氧化鋁極為相似。分離出固體，加入鹽酸后固體完全溶解，證實其為氫氧化鋁。反應(yīng)的初始階段，鋁粉和氫氧化鈉溶液反應(yīng)，生成偏鋁酸鈉和氫氣，即2Al+20H-+2H20=2Al02+3H2↑，而后偏鋁酸根離子達到一定濃度后，偏鋁酸根離子催化鋁粉和水的反應(yīng)，生成白色渾濁。但由于產(chǎn)生的偏鋁酸根離子濃度沒有另一組實驗高，因此至24小時后，反應(yīng)幾乎停止。

三、結(jié)語

實驗結(jié)論：鋁粉和偏鋁酸鈉溶液反應(yīng)的實質(zhì)是鋁粉與水的反應(yīng)，偏鋁酸鈉起催化作用，借助偏鋁酸根離子水解平衡的不斷移動，實現(xiàn)催化過程。

實驗教學(xué)是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重點和難點，開發(fā)適宜的實驗素材更是難上加難。本實驗從學(xué)生熟悉的知識人手，由鋁和氫氧化鈉溶液反應(yīng)，經(jīng)查閱文獻，分析鋁和碳酸鈉溶液反應(yīng)，最終設(shè)計并完成鋁和偏鋁酸鈉溶液反應(yīng)。在實驗過程中，始終圍繞中學(xué)化學(xué)的主干知識，包括氧化還原反應(yīng)規(guī)律、偏鋁酸根離子的檢測、氫氧化鋁的檢測等。同時體現(xiàn)了核心素養(yǎng)中“證據(jù)推理與模型認知”“宏觀辨識與微觀探析”的要求，設(shè)計實驗方案，分析實驗現(xiàn)象，并基于粒子之間的相互作用，結(jié)合反應(yīng)原理解釋問題，得出結(jié)論。本實驗可進一步轉(zhuǎn)化為中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)的案例，有待老師們開發(fā)。

參考文獻

[1]趙琦，林肅浩.鎂鋁原電池數(shù)字化實驗的意外——再探鋁與堿性溶液的反應(yīng)[J].化學(xué)教育，2018，39（15）：78-81

[2] 劉建良.單質(zhì)鋁水解法制備高純氧化鋁的研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2005：57