“线型”策略：科学学铝的新方法

“线型”策略：科学学铝的新方法 元素化合物知识作为其他化学知识的载体，在中学化学中占有举足轻重的地位。纵观 近几年的高考试题，铝、氧化铝、氢氧化铝、常见的铝盐(如氯化铝、明矾等)一直是命题 的热点。Al3+、Al(OH)3、AlO2-的相互转化，应用在离子分离(如 Mg2+、Al3+的分离)、共 存及推断中的试题屡屡出现。 2001 年开始高中化学教学采用了新教材。不难发现铝这一节的内容与原教材相比，有 了较大幅度的调整——将其改编在平衡章节之后，要求学生用平衡的理念来分析。这势必 对学生这一节的学习，提出了更高的要求。而同为金属的镁、铁的章节却做了大幅度的删 减。因此，大胆假设今后几年试题仍将在 Al 与酸反应、Al3+与碱反应，AlO2-与酸反应的 离子方程式书写以及计算、图象分析等方向作文章。 传统的教学方式中，往往习惯于采用“铝三角”来教学。铝三角可以表明 Al3+、Al(OH)3、AlO2-之间存在一定关联，三者之间可以通过加入酸或者碱相互转化。然 而关键的定量关系(Al3+与 OH-相互滴加产物的讨论等)不能通过“铝三角”得以体现。因为， 铝三角忽略了最为关键的一点：AlO2-是 Al(OH)3 在 OH-过量时产生的。为了解决这一问题， 笔者大胆提出“线型”学铝策略。 一.线型学铝概念的提出 “线型学铝”策略中所谓的“铝线”，其实就是由 H+ Al3+ Al(OH)3 AlO2- OH五个粒子所构成的一条关系线。出于 H+、OH-与 Al3+、Al(OH)3、AlO2-的紧密关系考 虑，与“铝三角”不同，“铝线”中加入了 H+、OH-这两种离子。感觉上，粒子数的增加，使问 题变的更为复杂;而实际上，只是将原本转换关系中隐藏的粒子更直观、更清晰表现出来。 二.线型学铝概念的剖析 “线型学铝”基本内容可以由四句话来概括——相邻粒子不反应，相隔粒子聚中间，隔 之越远越易行，所带电荷是关键。 (一)相邻粒子不反应——解决粒子间共存问题 有铝元素参加的粒子间共存问题的讨论一直是会考、高考的热点，2004 年的浙江省会 考试卷中就有两题(第 4 题、第 23 题)涉及这一内容。 例：下列物质中，既能跟 NaOH 溶液反应，又能跟盐酸反应的是( ) A.Al(OH)3 B.Na2CO3 C.NH4Cl D.CH3COONa 该题考查了“铝线”中的粒子的共存关系。只要明确“铝线”上相邻粒子是不反应的，不相 邻粒子间可以反应，那么选答案 A 也就十分明确了。 (二)相隔粒子聚中间——用于判断反应后的产物 含铝化合物在溶液中发生反应，产物与反应物物质的量比例有关。因此，反应产物的 讨论对于学生来说明显是一个难点。填鸭式的教学方式(例如：要求学生强记 Al3+与 OH1∶3 反应产物为 Al(OH)3，1∶4 反应产物为 AlO2-等)效果并不好。试题角度稍一改变，学 生就很难将已有的知识加以应用。化学新课程标准强调让学生形成积极主动的学习态度。 “线型学铝”概念的提出，可以使学生在铝元素的学习中，将研究性学习与接受性学习有机 的整和在一起。“铝线”中的相邻粒子是不反应的，而相隔的粒子就可以反应生成处于两个 反应粒子中间的粒子(产物水被略去)。只要学生了解这一点，就可以引导学生充分利用“铝 线”，自己主动去获取结论。 例如根据铝线 H+ Al3+ Al(OH)3 AlO2- OH-不难发现 H+与 Al(OH)3 能反应生成 Al3+， 而 Al(OH)3 与 OH-反应生成 AlO2- 等。在应用“铝线”过程中，学生可能又会产生问题：若处 于两个粒子中间的粒子不是一个，而是有两个时该如何分析——这恰恰也是过量问题，互 滴问题的难点所在。仔细观察，不难发现这一问题利用“铝线”还是可以得到很好解决。简 单的说：A 溶液中滴加 B，开始 A 过量，产物靠近 A。举个例子：盐酸中滴加偏铝酸钠溶液。 反应开始时盐酸过量，产物从“铝线”分析应靠近 H+，因此为 Al3+，开始无沉淀。反之，若 在偏铝酸钠溶液中滴加盐酸，开始偏铝酸钠溶液过量，产物从 “铝线”分析应靠近 AlO2-， 因此为 Al(OH)3，开始就产生沉淀。 (三)隔之越远越易行——分析反应先后、难易问题 溶液中存在的阴离子或者阳离子可能有多种，加入阳离子或者阴离子可能与存在的离 子都能发生反应。例如：AlCl3 溶液中加入过量的 NaOH 后，溶液中大量存在的阴离子有 AlO2- 和 OH-，若向此时的溶液中加入 H+，就会涉及反应先后问题。一般的教学方式，可 以假设与 H+先反应的是 AlO2-，但产物无论是 Al3+、 Al(OH)3 都与存在的 OH-要反应，从 而推翻假设。这种教学方式较为繁琐，即使理解，记忆也不轻松。学生在理解后，可以利 用“铝线” H+ Al3+ Al(OH)3 AlO2- OH-，“隔之越远越易行”方便学生记忆。H+、OH-在铝线 中相隔较远，因此 H+ 与 OH-先反应。同理，溶液中若同时存在 H+、Al3+时，若加入 OH-，先反应的应为 H+。 “隔之越远越易行”不仅指明了粒子反应的先后问题，更深层次讲，还蕴涵着粒子间反 应难易问题。由 H+ Al3+ Al(OH)3 AlO2- OH-可以看出，H+与 OH-，相距最远，因此反应最 容易。H+与 AlO2-距离较远，反应中的 H+可以由弱酸(如碳酸)电离提供，或者强酸弱碱盐 (如、MgCl2)水解来提供。H+与 Al(OH)3 距离更近，与 Al(OH)3 则不反应，溶解 Al(OH)3 所 需的 H+浓度更大。同理，Al3+比 Al(OH)3 在“铝线”上离开 OH-的距离远，将 Al3+沉淀只需 •H2O 即可以，但要使 Al(OH)3 溶解则一般要强碱才行。 (四)所带电荷是关键——讨论离子反应计量关系 离子方程式的书写，关键要搞清楚反应物的计量数比及产物。产物的分析可以由“铝 线”解决。其实，计量数比同样可以结合“铝线”及电荷守恒，物料守恒得以解决。例如 H+和 AlO2- 化学计量数 1∶1 反应生成电中性的 Al(OH)3 ，而要生成 Al3+则为 4∶1，因为 Al3+ 带 3 个单位正电荷。 “相邻粒子不反应，相隔粒子聚中间，隔之越远越易行，所带电荷是关键”四句话是一 个有机的整体，相互关联，表明了粒子之间的共存和反应的关系。参照“铝线”，联系这四 句话，基本可以解决与铝元素有关的离子共存，离子方程式书写，过量计算中产物的判断 等问题，甚至也可以用于铝元素有关的图象问题的讨论。 三.线型学铝概念中值得注意的问题 (一) 关于 H+的讨论 “铝线”中的 H+，并非特指强酸，也可以代表某些弱酸或者可以电离产生大量 H+的物 质。如：醋酸，硫酸氢钠等。(若其酸根与铝离子会强烈双水解的酸，则该酸不与 Al(OH)3 反应) (二) 关于 OH-的讨论 “铝线”中的 OH-一般指强碱(因为高中阶段所接触的弱碱绝大多数为难溶的碱，溶度积 常数很小)。值得注意的是 •H2O 也能使 Al3+沉淀，但不与 Al(OH)3 反应。氨溶解于水，主 要形成水合分子 •H2O，只有一小部分(1mol•L-1 氨分子中只有 0.004mol)发生如下式的电 离作用 NH3+H20=NH4+ + OH- K=1.8×10-5，而 Al(OH)3 的 Ksp=2×10-33，Al3+完全沉淀 (C(Al3+)≤1×10-5mol•L-1)时，pH 为 4.8，所以 •H2O 也能使 Al3+沉淀。 (三) AlO2AlO2-实质上只是高中化学中对 Al(OH)4-的一种简写。偏铝酸盐是在强碱性溶液中生成 的，偏铝酸盐溶液中加酸一般无法得到“HAlO2”，而得到白色无定形凝胶沉淀 Al(OH)3。 但“HAlO2”可以是结晶正 Al(OH)3 在 573K 下，加热两小时得到的，正确的名称为偏氢氧 化铝 AlO(OH)。因此，我们常说的“HAlO2 不存在”是不严格的。 (四) Al(OH)3 与 Al2O3 Al(OH)3 是 Al2O3 的水合物，在加热条件下失水即得到 Al2O3。因此，Al2O3 与 Al(OH)3 有许多相似的反应。与 Al(OH)3 能反应的酸或者碱一般与 Al2O3 也可以反应，产 物也类似，只是相差若干个水分子。但值得强调一点是：易溶于酸也易溶于强碱的 Al(OH)3 是新鲜制备的一种白色无定形凝胶，而不是结晶正 Al(OH)3。同样常见的易溶于酸 也易溶于强碱的 Al2O3 是 γ-Al2O3，而自然界中存在的刚玉为 α-Al2O3，晶体为六方紧密 堆积构型，晶格能很大，不溶于酸或碱，耐腐蚀。工业 β-Al2O3 陶瓷做电解食盐水的隔膜 生产烧碱。所以，并非所有的 Al(OH)3、Al2O3 都可以与强酸、强碱反应 四.线型学铝概念的实质——酸碱中和 我们引用 J.N.Bronsted—T.M.Lowry 的酸碱质子理论所定义的酸碱概念。任何能释放 质子的物种叫做酸，任何能结合质子的物种叫做碱。Al3+在水中实质上以八面体水合配离 子[Al(H2O)6]3+Al(H2O)6]3+]3+形式存在，有如下平衡 [Al(H2O)6]3+Al(H2O)6]3+]3++H2O [Al(H2O)6]3+Al(H2O)5OH]2++H3O+，因此， Al3+可以认为是酸。而 AlO2-(即 Al(OH)4-)可以结合质子(即 H+)，因此可以认为是碱。根据 上述的理论，“铝线”上粒子所能发生的反应都可以归纳为酸碱中和。 五.线型学铝概念的衍生 (一) 类似于 Al(OH)3 的两性氢氧化物——Be(OH)2、Zn(OH)2 铝和铍在元素周期表中处于对角线位置，两者的离子势接近，所以它们有许多相似的 化学性质，两者的氢氧化物都属两性。所以铍存在“铍线” H+ Be2+ Be(OH)2 BeO22- OH同理，锌元素存在“锌线”H+ Zn2+ Zn(OH)2 ZnO22- OH-。 (二) 二元及以上弱酸 弱酸的酸式盐在强酸性或强碱性中一般都不能稳定存在。所以，以酸式根为中心，左 边为弱酸，右边为酸根，构成了弱酸的“酸线”，如 H+ H2CO3 HCO3- CO32- OH-，若同样以 J.N.Bronsted—T.M.Lowry 的酸碱质子理论来 定义酸碱，各粒子的反应，还是可以归结为酸碱中和。粒子间的反应同样可以由“相邻粒子 不反应，相隔粒子聚中间，隔之越远越易行，所带电荷是关键”四句话来概括。高一碱金属 章节中的 Na2CO3 与 HCl 反应产物的判断，高三教材中的酸式盐与碱的离子方程式的书写 等都可以用上述线型策略去讨论。 例如(04 浙江省会考)下列各组离子在溶液中能大量共存的是(B) A.Na+、H+、CO32-、Cl- B.H+、K+、Cl-、NO3C.Na+、Al3+、OH-、Cl- D.NH4+、H+、OH-、NO3类似的还有 H+ H2SO3 HSO3- SO32- OHH+ H2S HS- S2- OHH+ H3PO4 H2PO4- HPO42- PO43- OHH2SO4 同样为二元酸，HSO4-的电离其实并不完全，严格来说 H2SO4 也应存在类似 的线型关系，只是在高中阶段暂不讨论。 “线型”学铝概念的提出，不仅克服了“铝三角”学习中三者定量关系模糊不清这一缺点， 使铝元素的学习变的轻松，便于理解。同时，“线型”概念的衍生，也使得两性物质的学习 更简单。二元及二元以上的酸、酸根、酸式根与碱或酸的反应也都可以由类似的“线型”概 念去思考。