铝粉与偏铝酸钠溶液反应的实验研究

铝粉与偏铝酸钠溶液反应的实验研究
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）。

表1 铝粉与蒸馏水和氢氧化钠溶液反应的对比
常温下的现象加热后的现象铝粉与蒸馏水无明显现象无明显现象铝粉与氢氧化钠溶液3分钟后有少量气泡有较多气泡，溶液澄清由以上实验可知，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，ΔG＝-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。

表2 铝粉与偏铝酸钠和氢氧化钠溶液反应的对比
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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。

那有什么？总不能见人就解释你不姓瞿，姓翟？反正姓名也就是个代号。

楠楠，你也别难过，把你送给杨小水，我们根本就没想再要回来。

别说未婚生孩子，就是未婚同居在那个年代也是一件大事，哪敢让人知道？你妈结婚后，发现自己不能再生了，才又想办法把你要了回来。

杨小水多次找人打听你，我们放出话，说你在上海当律师。

你也知道，乡下人事儿多，我们当时是怕她以后纠缠不清。

上海那么大，他们就是知道你在那儿也找不到，自然就会断了找你的念头。

［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α-Al2O3。

［实验4］一段时间后进一步观察现象，见表3。

表3 一段时间后反应的现象
3小时后24小时后铝粉与偏铝酸钠溶液一直有气泡产生，并有较
多白色浑浊，溶液pH几乎不变。

仍有少量气泡产生，并有大量白色浑浊，溶液pH几乎不变。

铝粉与氢氧化钠溶液气泡持续产生，溶液pH 约为12，溶液澄清。

不再产生气泡，溶液pH约为10，有较多白色胶状浑浊。

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，但其与铝反应已经较难。

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
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+3H2O=Al2O3+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0.1mol/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。

河道纵向剖面规划设计应保护河道与河道、河道与湖塘之间的连通性，不设或少设挡水建筑物及构筑物。

对河道内已建的壅水、阻水或影响河道排涝能力的建筑物，应给予改（扩）建或拆除。

不能拆除的应考虑通过改变运营方式等保持水流畅通，或修建跌水与鱼道工程。

化合物 3A10：质谱 ESI／MS（negative mode），m／z 250，［M－H］－。

1H NMR（500 MHz，CDCl3，TMS），δ为7.22～7.24（m，2H），7.00（t，J＝8.5 Hz，2H），5.83（br.s，1H，NH），4.39 （d，J＝6.0 Hz，2H），2.19 （t，J＝7.5 Hz，2H），1.62～1.65 （m，2H），1.26 ～1.32 （m，8H），0.87 （t，J＝7.5 Hz，3H）。

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，
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。

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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入手，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。