“線型”策略：科學(xué)學(xué)鋁的新方法

　　元素化合物知識(shí)作為其他化學(xué)知識(shí)的載體，在中學(xué)化學(xué)中占有舉足輕重的地位�？v觀近幾年的高考試題，鋁、氧化鋁、氫氧化鋁、常見的鋁鹽(如氯化鋁、明礬等)一直是命題的熱點(diǎn)。Al3+、Al(OH)3、AlO2-的相互轉(zhuǎn)化，應(yīng)用在離子分離(如Mg2+、Al3+的分離)、共存及推斷中的試題屢屢出現(xiàn)。

　　2001 年開始高中化學(xué)教學(xué)采用了新教材。不難發(fā)現(xiàn)鋁這一節(jié)的內(nèi)容與原教材相比，有了較大幅度的調(diào)整——將其改編在平衡章節(jié)之后，要求學(xué)生用平衡的理念來分析。這勢(shì)必對(duì)學(xué)生這一節(jié)的學(xué)習(xí)，提出了更高的要求。而同為金屬的鎂、鐵的章節(jié)卻做了大幅度的刪減。因此，大膽假設(shè)今后幾年試題仍將在Al與酸反應(yīng)、Al3+與堿反應(yīng)，AlO2-與酸反應(yīng)的離子方程式書寫以及計(jì)算、圖象分析等方向作文章。

　　傳統(tǒng)的教學(xué)方式中，往往習(xí)慣于采用“鋁三角”來教學(xué)。鋁三角可以表明Al3+、Al(OH)3、AlO2-之間存在一定關(guān)聯(lián)，三者之間可以通過加入酸或者堿相互轉(zhuǎn)化。然而關(guān)鍵的定量關(guān)系(Al3+與OH-相互滴加產(chǎn)物的討論等)不能通過“鋁三角”得以體現(xiàn)。因?yàn)�，鋁三角忽略了最為關(guān)鍵的一點(diǎn)：AlO2-是Al(OH)3在OH-過量時(shí)產(chǎn)生的。為了解決這一問題，筆者大膽提出“線型”學(xué)鋁策略。

　　一.線型學(xué)鋁概念的提出

　　“線型學(xué)鋁”策略中所謂的“鋁線”，其實(shí)就是由

　　H+ Al3+ Al(OH)3 AlO2- OH-

　　五個(gè)粒子所構(gòu)成的一條關(guān)系線。出于H+、OH-與Al3+、Al(OH)3、AlO2-的緊密關(guān)系考慮，與“鋁三角”不同，“鋁線”中加入了H+、OH-這兩種離子。感覺上，粒子數(shù)的增加，使問題變的更為復(fù)雜;而實(shí)際上，只是將原本轉(zhuǎn)換關(guān)系中隱藏的粒子更直觀、更清晰表現(xiàn)出來。

　　二.線型學(xué)鋁概念的剖析

　　“線型學(xué)鋁”基本內(nèi)容可以由四句話來概括——相鄰粒子不反應(yīng)，相隔粒子聚中間，隔之越遠(yuǎn)越易行，所帶電荷是關(guān)鍵。

　　(一)相鄰粒子不反應(yīng)——解決粒子間共存問題

　　有鋁元素參加的粒子間共存問題的討論一直是會(huì)考、高考的熱點(diǎn)，2004年的浙江省會(huì)考試卷中就有兩題(第4題、第23題)涉及這一內(nèi)容。

　　例：下列物質(zhì)中，既能跟NaOH溶液反應(yīng)，又能跟鹽酸反應(yīng)的是( )

　　A.Al(OH)3 B.Na2CO3 C.NH4Cl D.CH3COONa

　　該題考查了“鋁線”中的粒子的共存關(guān)系。只要明確“鋁線”上相鄰粒子是不反應(yīng)的，不相鄰粒子間可以反應(yīng)，那么選答案A也就十分明確了。

　　(二)相隔粒子聚中間——用于判斷反應(yīng)后的產(chǎn)物

　　含鋁化合物在溶液中發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)物與反應(yīng)物物質(zhì)的量比例有關(guān)。因此，反應(yīng)產(chǎn)物的討論對(duì)于學(xué)生來說明顯是一個(gè)難點(diǎn)。填鴨式的教學(xué)方式(例如：要求學(xué)生強(qiáng)記 Al3+與OH-1∶3反應(yīng)產(chǎn)物為Al(OH)3，1∶4反應(yīng)產(chǎn)物為AlO2-等)效果并不好。試題角度稍一改變，學(xué)生就很難將已有的知識(shí)加以應(yīng)用�；瘜W(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生形成積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)態(tài)度。“線型學(xué)鋁”概念的提出，可以使學(xué)生在鋁元素的學(xué)習(xí)中，將研究性學(xué)習(xí)與接受性學(xué)習(xí)有機(jī)的整和在一起。“鋁線”中的相鄰粒子是不反應(yīng)的，而相隔的粒子就可以反應(yīng)生成處于兩個(gè)反應(yīng)粒子中間的粒子(產(chǎn)物水被略去)。只要學(xué)生了解這一點(diǎn)，就可以引導(dǎo)學(xué)生充分利用“鋁線”，自己主動(dòng)去獲取結(jié)論。

　　例如根據(jù)鋁線H+ Al3+ Al(OH)3 AlO2- OH-不難發(fā)現(xiàn)H+與Al(OH)3能反應(yīng)生成Al3+，而Al(OH)3 與OH-反應(yīng)生成AlO2- 等。在應(yīng)用“鋁線”過程中，學(xué)生可能又會(huì)產(chǎn)生問題：若處于兩個(gè)粒子中間的粒子不是一個(gè)，而是有兩個(gè)時(shí)該如何分析——這恰恰也是過量問題，互滴問題的難點(diǎn)所在。仔細(xì)觀察，不難發(fā)現(xiàn)這一問題利用“鋁線”還是可以得到很好解決。簡(jiǎn)單的說：A溶液中滴加B，開始A過量，產(chǎn)物靠近A。舉個(gè)例子：鹽酸中滴加偏鋁酸鈉溶液。反應(yīng)開始時(shí)鹽酸過量，產(chǎn)物從“鋁線”分析應(yīng)靠近H+，因此為Al3+，開始無沉淀。反之，若在偏鋁酸鈉溶液中滴加鹽酸，開始偏鋁酸鈉溶液過量，產(chǎn)物從 “鋁線”分析應(yīng)靠近AlO2-，因此為Al(OH)3，開始就產(chǎn)生沉淀。

　　(三)隔之越遠(yuǎn)越易行——分析反應(yīng)先后、難易問題

　　溶液中存在的陰離子或者陽(yáng)離子可能有多種，加入陽(yáng)離子或者陰離子可能與存在的離子都能發(fā)生反應(yīng)。例如：AlCl3溶液中加入過量的NaOH后，溶液中大量存在的陰離子有AlO2- 和OH-，若向此時(shí)的溶液中加入H+，就會(huì)涉及反應(yīng)先后問題。一般的教學(xué)方式，可以假設(shè)與H+先反應(yīng)的是AlO2-，但產(chǎn)物無論是Al3+、 Al(OH)3都與存在的OH-要反應(yīng)，從而推翻假設(shè)。這種教學(xué)方式較為繁瑣，即使理解，記憶也不輕松。學(xué)生在理解后，可以利用“鋁線” H+ Al3+ Al(OH)3 AlO2- OH-，“隔之越遠(yuǎn)越易行”方便學(xué)生記憶。H+、OH-在鋁線中相隔較遠(yuǎn)，因此H+ 與OH-先反應(yīng)。同理，溶液中若同時(shí)存在H+、Al3+時(shí)，若加入OH-，先反應(yīng)的應(yīng)為H+。

　　“隔之越遠(yuǎn)越易行”不僅指明了粒子反應(yīng)的先后問題，更深層次講，還蘊(yùn)涵著粒子間反應(yīng)難易問題。由H+ Al3+ Al(OH)3 AlO2- OH-可以看出，H+與OH-，相距最遠(yuǎn)，因此反應(yīng)最容易。H+與AlO2-距離較遠(yuǎn)，反應(yīng)中的H+可以由弱酸(如碳酸)電離提供，或者強(qiáng)酸弱堿鹽(如、MgCl2)水解來提供。H+與Al(OH)3距離更近，與Al(OH)3則不反應(yīng)，溶解Al(OH)3所需的H+濃度更大。同理，Al3+比Al(OH)3在“鋁線”上離開OH-的距離遠(yuǎn)，將Al3+沉淀只需 •H2O即可以，但要使Al(OH)3溶解則一般要強(qiáng)堿才行。

　　(四)所帶電荷是關(guān)鍵——討論離子反應(yīng)計(jì)量關(guān)系

　　離子方程式的書寫，關(guān)鍵要搞清楚反應(yīng)物的計(jì)量數(shù)比及產(chǎn)物。產(chǎn)物的分析可以由“鋁線”解決。其實(shí)，計(jì)量數(shù)比同樣可以結(jié)合“鋁線”及電荷守恒，物料守恒得以解決。例如H+和 AlO2- 化學(xué)計(jì)量數(shù)1∶1反應(yīng)生成電中性的 Al(OH)3 ，而要生成Al3+則為4∶1，因?yàn)锳l3+帶3個(gè)單位正電荷。

　　“相鄰粒子不反應(yīng)，相隔粒子聚中間，隔之越遠(yuǎn)越易行，所帶電荷是關(guān)鍵”四句話是一個(gè)有機(jī)的整體，相互關(guān)聯(lián)，表明了粒子之間的共存和反應(yīng)的關(guān)系。參照“鋁線”，聯(lián)系這四句話，基本可以解決與鋁元素有關(guān)的離子共存，離子方程式書寫，過量計(jì)算中產(chǎn)物的判斷等問題，甚至也可以用于鋁元素有關(guān)的圖象問題的討論。

　　三.線型學(xué)鋁概念中值得注意的問題

　　(一) 關(guān)于H+的討論

　　“鋁線”中的H+，并非特指強(qiáng)酸，也可以代表某些弱酸或者可以電離產(chǎn)生大量H+的物質(zhì)。如：醋酸，硫酸氫鈉等。(若其酸根與鋁離子會(huì)強(qiáng)烈雙水解的酸，則該酸不與Al(OH)3反應(yīng))

　　(二) 關(guān)于OH-的討論

　　“鋁線”中的OH-一般指強(qiáng)堿(因?yàn)楦咧须A段所接觸的弱堿絕大多數(shù)為難溶的堿，溶度積常數(shù)很小)。值得注意的是 •H2O也能使Al3+沉淀，但不與Al(OH)3反應(yīng)。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)發(fā)生如下式的電離作用 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)時(shí)，pH為4.8，所以 •H2O也能使Al3+沉淀。

　　(三) AlO2-

　　AlO2-實(shí)質(zhì)上只是高中化學(xué)中對(duì)Al(OH)4-的一種簡(jiǎn)寫。偏鋁酸鹽是在強(qiáng)堿性溶液中生成的，偏鋁酸鹽溶液中加酸一般無法得到“HAlO2”，而得到白色無定形凝膠沉淀Al(OH)3。但“HAlO2”可以是結(jié)晶正 Al(OH)3在573K下，加熱兩小時(shí)得到的，正確的名稱為偏氫氧化鋁AlO(OH)。因此，我們常說的“HAlO2不存在”是不嚴(yán)格的。

　　(四) Al(OH)3與Al2O3

　　Al(OH)3 是Al2O3的水合物，在加熱條件下失水即得到Al2O3。因此，Al2O3與Al(OH)3有許多相似的反應(yīng)。與Al(OH)3能反應(yīng)的酸或者堿一般與 Al2O3也可以反應(yīng)，產(chǎn)物也類似，只是相差若干個(gè)水分子。但值得強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)是：易溶于酸也易溶于強(qiáng)堿的Al(OH)3是新鮮制備的一種白色無定形凝膠，而不是結(jié)晶正Al(OH)3。同樣常見的易溶于酸也易溶于強(qiáng)堿的Al2O3是γ-Al2O3，而自然界中存在的剛玉為α-Al2O3，晶體為六方緊密堆積構(gòu)型，晶格能很大，不溶于酸或堿，耐腐蝕。工業(yè)β-Al2O3陶瓷做電解食鹽水的隔膜生產(chǎn)燒堿。所以，并非所有的Al(OH)3、Al2O3都可以與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿反應(yīng)

　　四.線型學(xué)鋁概念的實(shí)質(zhì)——酸堿中和

　　我們引用J.N.Bronsted—T.M.Lowry的酸堿質(zhì)子理論所定義的酸堿概念。任何能釋放質(zhì)子的物種叫做酸，任何能結(jié)合質(zhì)子的物種叫做堿。Al3+在水中實(shí)質(zhì)上以八面體水合配離子[Al(H2O)6]3+形式存在，有如下平衡 [Al(H2O)6]3++H2O [Al(H2O)5OH]2++H3O+，因此，Al3+可以認(rèn)為是酸。而AlO2-(即Al(OH)4-)可以結(jié)合質(zhì)子(即H+)，因此可以認(rèn)為是堿。根據(jù)上述的理論，“鋁線”上粒子所能發(fā)生的反應(yīng)都可以歸納為酸堿中和。

　　五.線型學(xué)鋁概念的衍生

　　(一) 類似于Al(OH)3的兩性氫氧化物——Be(OH)2、Zn(OH)2

　　鋁和鈹在元素周期表中處于對(duì)角線位置，兩者的離子勢(shì)接近，所以它們有許多相似的化學(xué)性質(zhì)，兩者的氫氧化物都屬兩性。所以鈹存在“鈹線”

　　H+ Be2+ Be(OH)2 BeO22- OH-

　　同理，鋅元素存在“鋅線”H+ Zn2+ Zn(OH)2 ZnO22- OH-。

　　(二) 二元及以上弱酸

　　弱酸的酸式鹽在強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性中一般都不能穩(wěn)定存在。所以，以酸式根為中心，左邊為弱酸，右邊為酸根，構(gòu)成了弱酸的“酸線”，如

　　H+ H2CO3 HCO3- CO32- OH-，若同樣以J.N.Bronsted—T.M.Lowry的酸堿質(zhì)子理論來定義酸堿，各粒子的反應(yīng)，還是可以歸結(jié)為酸堿中和。粒子間的反應(yīng)同樣可以由“相鄰粒子不反應(yīng)，相隔粒子聚中間，隔之越遠(yuǎn)越易行，所帶電荷是關(guān)鍵”四句話來概括。高一堿金屬章節(jié)中的Na2CO3與HCl反應(yīng)產(chǎn)物的判斷，高三教材中的酸式鹽與堿的離子方程式的書寫等都可以用上述線型策略去討論。

　　例如(04浙江省會(huì)考)下列各組離子在溶液中能大量共存的是(B)

　　A.Na+、H+、CO32-、Cl- B.H+、K+、Cl-、NO3-

　　C.Na+、Al3+、OH-、Cl- D.NH4+、H+、OH-、NO3-

　　類似的還有H+ H2SO3 HSO3- SO32- OH-

　　H+ H2S HS- S2- OH-

　　H+ H3PO4 H2PO4- HPO42- PO43- OH-

　　H2SO4同樣為二元酸，HSO4-的電離其實(shí)并不完全，嚴(yán)格來說H2SO4也應(yīng)存在類似的線型關(guān)系，只是在高中階段暫不討論。

　　“線型”學(xué)鋁概念的提出，不僅克服了“鋁三角”學(xué)習(xí)中三者定量關(guān)系模糊不清這一缺點(diǎn)，使鋁元素的學(xué)習(xí)變的輕松，便于理解。同時(shí)，“線型”概念的衍生，也使得兩性物質(zhì)的學(xué)習(xí)更簡(jiǎn)單。二元及二元以上的酸、酸根、酸式根與堿或酸的反應(yīng)也都可以由類似的“線型”概念去思考。