在金属铝教学中需注意的几个问题

2016-04-29 12:23阅读：

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在金属铝教学中需注意的几个问题
铝作为一种金属性较强的元素，与同样常见的铜、铁等元素间有较大区别。在其教学中也有较多需教师注意，或应弄清楚的地方。
一、金属铝与水的反应
金属铝与水能否反应，在什么条件下能反应，反应方程式如何写？这都是化学教学中无法回避的问题。但教师在给学生回答这些问题时，往往有心虚的感觉。因为，在诸多的文献中，有说法不一的现象，
在许多化学教学参考资料中，都可以找到“Al可以与水反应”的说法，还给出了化学反应方程式2Al +6H₂O

在金属铝教学中需注意的几个问题

2Al(OH)₃+H₂↑……（1）
在一本百科全书中竟也可看到，只有铝粉可与沸水反应，这样的说法。反应方程式如上式（1）。
在上世纪60年代初的《无机化学教程》中戴安邦先生曾指出，“纯铝在水内不受腐蚀，即使在

高温也不与水蒸汽反应。这皆是因为铝的表面氧化物层的保护作用”。
在其后的一些无机化学教材中，也都简述为“金属铝的化学性质比较活泼，但其表面由于有一层致密的钝态氧化膜，而使铝的反应活性大为降低，不能与空气和水进一步作用”^[1][2]。
考虑到百科全书终归不属于化学方面的专业书籍，不易采信。在化学教学中，还是以“由于有氧化膜保护，金属铝不能与氧气及水反应为好”。
当然，在能用化学方法破坏掉氧化膜的情况下，金属铝是可以与氧气及水反应的。如，在无机化学实验教学中就有如下的一个实验^[3]：
取一铝片，用砂纸擦净。在清洁的表面上滴数滴HgCl₂溶液。当此溶液覆盖下的金属表面呈灰色时，用棉花或纸将液体擦去，并继续将湿润处擦干。然后将此金属放置在空气中，观察铝表面有大量蓬松的Al₂O₃析出。再将铝片置入盛水的试管中，观察氢气的放出。如果气体的产生过于缓慢时，将此试管微微加热。
金属铝与氧气及与水的反应，在这种条件下都可以顺利进行。原因就在于氧化膜的影响可以去除掉。
用HgCl₂去除氧化膜影响的原理是：砂纸擦净的铝片表面没有完整的氧化膜，可以与HgCl₂溶液反应，而置换出一些水银。金属铝部分溶于水银中，使铝的表面有一层铝汞齐（即铝的汞溶液）。在这层对铝来说不能连续分布的液体表面（相当多位置被汞原子占据），氧化物无法形成一个致密完整的膜、而是有缝隙且疏松的，这就无法阻止氧气与铝的继续接触，反应就会持续进行下去了。与水的反应也是这样。
从这个实验也可以看出，致密的氧化物保护层的作用有多么的大。
由于在一般的情况下，这个保护层是很难破坏掉的（除非用化学的方法）。所以，在教学中可以说：由于氧化膜的保护作用，金属铝在通常条件下不与氧气及水反应，在一般加热的情况下也不反应。只有在把氧化膜能去除掉的情况下才能反应。
二、能破坏金属铝氧化膜的另一种情况
除了可以用化学方法破坏氧化膜，使金属铝表现出反应活性外。还有一个物理的方法。就是让金属铝融化。在这个金属液体的表面，由于密度不同等原因，氧化膜也是难于连续、而致密不起来的。
而金属铝恰恰是一个熔点（660℃）并不很高的物质。这样，当反应温度在其熔点之上时，所生成的氧化物同样也无法阻止金属铝与氧气或水蒸汽的继续接触，这时反应也将持续下去。
这就造成了，金属铝在加热时可以与氧气反应（激烈且快速的反应可使局部聚集更多热量，而使铝融化）。在高温下（达其熔点）金属铝与空气也可反应。因为此时金属表面无法再生成致密的氧化膜了。
但是，在这个温度下（660℃以上）进行的金属铝与水蒸气的反应，其反应方程式的写法又要注意到另一个问题。即此时Al(OH)₃是否还稳定。
查得Al(OH)₃在高于170℃的情况下就要分解。所以在高温下金属铝与水蒸气的反应方程式，最好写为，
2Al +3H₂O

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2Al₂O₃+3H₂↑……（2）
因为在温度较高（大于170℃）时，Al(OH)₃不能稳定存在。
三、金属铝与酸的反应
由于在通常情况下金属铝的表面都会有一层氧化膜保护层，所以金属铝与酸的反应也表现的比较特殊。
在无机化学教材中被表述为：“高纯度的铝（99.950%）不与一般的酸作用，只溶于王水。普通的铝能溶于稀盐酸或稀硫酸，而被冷的浓H₂SO₄或浓、稀HNO₃所钝化”^[1]。
即，普通的金属铝不能与浓硫酸、及浓、稀硝酸反应，
在加热的情况下，这些反应当然就都可以进行了。
如，2Al +6H₂SO₄(浓)

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Al₂(SO₄)₃+3SO₂↑+6H₂O。
四、氢氧化铝的多种存在形态
通常所说的氢氧化铝除了包含有Al(OH)₃之外，还包括有AlO(OH)（偏氢氧化铝）及多种Al₂O₃的水合物。
氢氧化铝随制备方法的不同，其存在形式及性质也是有差别的。氢氧化铝的制备方法可分为三类：
1. 加氨水或碱于铝盐溶液中
这时得到的是一种白色的无定形凝胶沉淀。它的含水量不定，组成也不均匀。
反应通常被写为Al³⁺ +3NH₃•H₂O = 3NH₄⁺ + Al(OH)₃↓。
无定形水合氧化铝在溶液内静置时，即逐渐转变为结晶的偏氢氧化铝。温度越高，该转变的速度越快。
2. 铝盐与弱酸盐反应
若在铝盐溶液中加弱酸盐碳酸钠或醋酸钠，加热，则有偏氢氧化铝与无定形水合氧化铝同时生成。
反应通常也被写为Al³⁺ +3CO₃^2-+ 3H₂O = 3HCO₃^- + Al(OH)₃↓。
3. 在铝酸盐溶液中通入二氧化碳
只有在这种情况下才能得到真正的氢氧化铝白色沉淀，称为正氢氧化铝。
反应方程式为2AlO₂^- +CO₂ + 3H₂O = CO₃^2-+ 2Al(OH)₃↓。
这种结晶状正氢氧化铝的性质与无定形水合氧化铝有明显的不同。
正氢氧化铝难溶于酸。表现不出它的碱性。
而且，加热到373K正氢氧化铝也不脱水。在573K下加热两小时，才能转变为AlO(OH)。即正氢氧化铝有一定的热稳定性。
教师在涉及实验，或自编一些与氢氧化铝性质有关的习题时要注意到正氢氧化铝的这个特殊性。
五、氢氧化铝的两性
氢氧化铝的两性是指，氢氧化铝既能溶于强酸溶液，又能与强碱反应的这种性质。
教材通常也用一个示意图将这个性质表示如下图一：

需注意的是，这个图一中的Al(OH)₃代表的仅仅是无定形水合氧化铝。如果是正氢氧化铝的话，它一般要用向铝酸盐溶液中通入CO₂的方法来制得，且正氢氧化铝也不溶于酸。因而，只有上图一的右半部分对其适用。如下示意图二：

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六、弱酸的铝盐
在戴安邦先生的《无机化学教程》中还有一句概括性很强的话。“弱酸的铝盐在水溶液中均不能制得”。
这是由于Al³⁺是一个较强的质子酸，而弱酸根离子都是较强的质子碱。在水溶液中它们间进行的主要是质子传递反应（即双水解反应），而不是Al³⁺与弱酸根离子间的沉淀反应。
如3Na₂S +2AlCl₃+6H₂O =6NaCl +2Al(OH)₃↓ + 3H₂S↑
Na₂CO₃与AlCl₃间的反应，Na₂SO₃与AlCl₃间的反应，也都是如此，只能得到氢氧化铝。
在化学手册中可以查到AlPO₄及Al₂(SiO₃)₃的溶度积。但这也不代表它们能在溶液中被制得。它们多是固相强热情况下（如水泥窑炉中）反应的产物。
七、电解法制取金属铝
在工业生产中金属铝是用电解Al₂O₃的方法来制取的。
电解方程式在所有教材中都一律被写为

……（3）
但在网上一些专门讨论电解铝工艺的资料中，考虑到实际电解产物中并没有O₂，放出的是CO₂。所以也有将电解方程式写为如下形式的。

……（4）
式（3）与（4）间没有什么本质的区别。可以将式（4）理解为，是式（3）的反应产物O₂，进一步与石墨阳极反应的结果。
至于在两个电极上的反应，在化学教材中则很少能看到了。估计是阳极反应的表述有一定的难度。
对阴极反应的表述几乎没有什么异议。一般都是：Al³⁺ + 3e^- = Al 。
但，阳极反应的写法间就有很大的区别了。
在网上看到的有，2O^2- - 4e^- = O₂……（5）
考虑到阳极为石墨，电解时阳极产物主要是CO₂气体。也有的将阴极反应写为 2O^2- + C- 4e^- = CO₂……（6）
在式（5）及（6）中都是由O^2-离子来参与反应。考虑到O^2-离子不但在水溶液中不可能存在，在熔融的Al₂O₃中也难于存在。加之可将Al₂O₃看做是一个铝酸盐（AlAlO₃），即由Al³⁺离子与AlO₃^3-离子构成的盐。所以，以前的化学教材中都将阳极反应表述为：
4AlO₃^3- - 12e^- =2 Al₂O₃ + 3O₂……（7）
但在较新的无机化学教材中都回避了这两个电极反应。可能是在上述这些电极反应中，都没有考虑到助熔剂冰晶石（Na₃AlF₆）作用的缘故。
为此，在网上又找了一本有一定专业性的教材。其中的主要观点是^[4]：
电解质熔体中的离子主要有钠离子、铝氧氟络合离子（如AlOF₂^-）、含氟铝离子（如AlF₆^3-）及少部分的简单离子（铝离子Al³⁺、氧离子O_2-、氟离子F^-），其中钠离子Na⁺是导电离子。
电解时的阴极反应为，2Al³⁺（络合）+ 6e^- = 2Al ……（8）
阳极反应为，2O^2-（络合）+ C- 4e^- = CO₂……（9）
在讨论阴极附近电解质成分的变化时，进一步指出：
阴极的放电过程是，3AlOF₂^-+ 6e^- = 2Al + 6F^-+ AlO₃^3- ……（10）
阴极区内还有反应，9Na⁺ +6F^-+ AlO₃^3-= Na₃AlF₆+ 3Na₂O
对阳极附近电解质成分的变化则描述为：
阳极的反应为，3AlOF₂^-- 6e^- = 3Al³⁺ + 6F^-+ 1.5O₂……（11）
阳极区内也有反应，3AlOF₂^-+3Al³⁺ + 6F^-= 4AlF₃ + Al₂O₃。
当阴极区的Na₂O与阳极区的AlF₃相遇时，有反应
3Na₂O + 4AlF₃ = 2Na₃AlF₆+ Al₂O₃。
所以，理论上冰晶石在整个电解过程中不会有损耗。
针对这个如式（10）及（11）所描述的复杂过程，就可以知道教材不写这两个电极反应式的原因了。
如果有学生要求教师给出这两个电极反应式，教师也还是写出如下的式子较好：
阴极反应，2Al³⁺（配合物）+ 6e^- = 2Al ，
阳极反应，2O^2-（配合物）- 4e^- = O₂。

参考文献
[1] 北京师范大学等校. 无机化学（第三版）. 高等教育出版社. 1992年
[2]。大连理工大学无机化学教研室. 无机化学（第三版）. 高等教育出版社. 1990年
[3] 北京师范大学等校. 无机化学实验（第二版）. 高等教育出版社. 1991年
[4] 王捷编. 电解铝生产工艺与设备. 冶金工艺出版社. 2006年

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