铝粉与偏铝酸钠溶液反应的实验研究

杨頔

摘要：铝是中学常见的元素，也是中学教学中为数不多的能与氢氧化钠溶液反应的金属单质。作者研究了铝粉与偏铝酸钠溶液的反应，分析了实验现象，提出了偏铝酸钠溶液的作用，并进一步分析了铝与氢氧化钠溶液反应的过程。

关键词：铝粉;偏铝酸钠;实验研究;证据推理

文章编号：1008-0546（ 2019） 09-0094-02

中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.09.030

一、问题的提出

铝与强酸、强碱溶液均能反应，这是中学元素化合物教学的重要内容，在元素周期律教学中同样起到重要作用。有文献表明[1]，铝不仅能与氢氧化钠溶液反应，也能与氨水（pH=11.6）和碳酸钠溶液（pH=12）反应，生成偏铝酸钠和氢气，溶液中的氢氧根离子起重要作用。偏铝酸钠溶液也呈碱性，它与铝是否可以反应？它与氨水、碳酸钠溶液又有什么异同？笔者对此展开研究。

二、实验过程与现象分析

[实验1]铝粉与蒸馏水和氢氧化钠溶液（pH=13）反应的对比，见表1（铝粉在实验中过量，下同）。

由以上实验可知，铝粉无论在常温下还是加热后，都很难与水反应。常温下铝与氢氧化钠溶液（pH=13）能反应，加热后反应更快。由此说明，溶液中的氢氧根离子对铝被氧化起到重要作用。有文献[2]计算了铝与水反应的热力学数据，在298K时，铝与水反应的热力学趋势很大，△G= -922.729kj/mol。因此，铝粉很难与水反应的原因，主要是因为铝粉表面致密的氧化膜对铝和水的阻隔。

[实验2]铝粉与pH均为13的偏铝酸钠和氢氧化钠溶液反应的对比（取偏铝酸钠固体，溶解后加入氢氧化钠溶液，用pH试纸测其pH=13），见表2。

pH相同的两种溶液，常温下与铝反应的速率呈现较大区别，可推知偏铝酸钠溶液能够较快破坏铝粉表面的氧化膜，但其机制尚不清楚。对白色沉淀进行研究，设计以下实验。

[实验3]取带有白色沉淀的浊液分成两份，经离心分离后得到固体。分别向两份固体中加入氢氧化钠溶液和盐酸，沉淀未见明显溶解。由此推知，该沉淀主要是a-Al203。

[实验4]一段时间后进一步观察现象，见表3。

氢氧化钠溶液的pH不断减小，原因是随反应进行，溶液中的氢氧根离子不断被消耗，至24小时pH降至10左右，虽然存在氢氧根离子，但其與铝反应已经较难。偏铝酸钠溶液的pH至24小时后几乎不变（依旧为13），说明其中的氢氧根离子浓度几乎不变。其原因是：Al02+2H20=Al（OH）3+OH-，当溶液中的氢氧根离子与铝反应时，偏铝酸根离子的水解平衡不断正移，使氢氧根离子不断被补充。而且铝粉与氢氧根离子反应又生成偏铝酸根离子，使得偏铝酸根离子也不断被补充，偏铝酸钠溶液的浓度几乎不变，因此反应至24小时后的溶液pH几乎不变，大量白色浑浊的产生也是偏铝酸根离子水解平衡不断正移所导致的。由以上实验可以推知，铝粉与偏铝酸钠溶液的总反应，实际上是铝粉和水的反应，即2Al+ 3H20=Al203+3H2↑，偏铝酸钠从宏观上起到催化作用。

取实验4中铝粉和偏铝酸钠溶液反应至24小时后的浊液，经离心分离固体，向上层清液中滴加O.lmol/L盐酸，出现大量白色沉淀。继续滴加盐酸，沉淀溶解。由此可知，上层清液中确实含有大量偏铝酸根离子，证实其并未被大量消耗。

实验4中铝粉和氢氧化钠溶液反应至24小时，出现了白色胶状浑浊，其外观与氢氧化铝极为相似。分离出固体，加入盐酸后固体完全溶解，证实其为氢氧化铝。反应的初始阶段，铝粉和氢氧化钠溶液反应，生成偏铝酸钠和氢气，即2Al+20H-+2H20=2Al02+3H2↑，而后偏铝酸根离子达到一定浓度后，偏铝酸根离子催化铝粉和水的反应，生成白色浑浊。但由于产生的偏铝酸根离子浓度没有另一组实验高，因此至24小时后，反应几乎停止。

三、结语

实验结论：铝粉和偏铝酸钠溶液反应的实质是铝粉与水的反应，偏铝酸钠起催化作用，借助偏铝酸根离子水解平衡的不断移动，实现催化过程。

实验教学是中学化学教学的重点和难点，开发适宜的实验素材更是难上加难。本实验从学生熟悉的知识人手，由铝和氢氧化钠溶液反应，经查阅文献，分析铝和碳酸钠溶液反应，最终设计并完成铝和偏铝酸钠溶液反应。在实验过程中，始终围绕中学化学的主干知识，包括氧化还原反应规律、偏铝酸根离子的检测、氢氧化铝的检测等。同时体现了核心素养中“证据推理与模型认知”“宏观辨识与微观探析”的要求，设计实验方案，分析实验现象，并基于粒子之间的相互作用，结合反应原理解释问题，得出结论。本实验可进一步转化为中学化学实验教学的案例，有待老师们开发。

参考文献

[1]赵琦，林肃浩.镁铝原电池数字化实验的意外——再探铝与碱性溶液的反应[J].化学教育，2018，39（15）：78-81

[2] 刘建良.单质铝水解法制备高纯氧化铝的研究[D].昆明：昆明理工大学，2005：57