從Ksp角度對“Mg2+、Al3+混和溶液中滴加NaOH溶液”的再思考

顧曄

（江寧高級中學江蘇南京211100）

從Ksp角度對“Mg2+、Al3+混和溶液中滴加NaOH溶液”的再思考

顧曄

（江寧高級中學江蘇南京211100）

向等濃度的MgCl2、AlCl3混合溶液中逐滴加入NaOH溶液是高中化學經常涉及的離子反應，教學的不同階段對該反應認識有所差別，本文從Ksp角度對兩中常見認識予以辨析。

沉淀；溶解；Ksp；pH計；傳感器

一、第一種認識

高中階段在學習金屬及其化合物性質時,為強調Al（OH）3的兩性,常用以下試題強化教學效果。

例1：向等濃度的MgCl2、AlCl3混合溶液中逐滴加入NaOH溶液,實驗現象如何？試作出沉淀的物質的量與NaOH物質的量的關系圖。

一般情況下,該問題作如下解答：

第一步：分析反應。

（1）沉淀的生成：Mg2++2OH-=Mg（OH）2↓Al3++3OH-= Al（OH）3↓；

（2）沉淀的溶解：Al（OH）3+OH-=AlO2-+2H2O。

第二步：描述現象。滴加NaOH溶液后先產生白色沉淀,隨著NaOH溶液的不斷加入沉淀量有所減少,最終保持不變。

第三步：作圖。設混合溶液中MgCl2、AlCl3的物質的量均為1mol。根據方程式：Mg2+、Al3+沉淀完全需要NaOH 5mol,Al（OH）3沉淀的溶解需要NaOH1mol,沉淀的最大量為2mol,最終沉淀的物質的量為1mol。（圖1）

圖1

然而,上述分析結果成立的前提是Al（OH）3的溶解必須在Mg2+、Al3+沉淀完全之后,事實上是這樣嗎？人教版新教材選修4模塊《化學反應原理》在“難溶電解質溶解平衡”一節(jié)中介紹了難溶物的溶度積常數,我們可以應用氫氧化物的Ksp計算一定濃度Mg2+、Al3+沉淀開始和沉淀完全的pH。以1.0mol/L的MgCl2、AlCl3混合溶液為例：查表［1］得Ksp［Al（OH）3］=1.3×1033,Ksp［Mg（OH）2］= 1.8×1011,易得Mg2+、Al3+開始沉淀的pH分別為3.28和9.63,同理可得它們沉淀完全時的pH。計算發(fā)現Mg2+、Al3+是分步沉淀的,圖1描述的結果是不正確的。例2就是以此為背景的“老題新做”,也是對此類問題的第二種認識。

二、第二種認識

例2：Mg2+和Al3+的混和溶液中逐滴加入NaOH溶液,形成沉淀情況出現兩種圖示,圖2為小楊同學繪制,圖3是小周根據實驗結果繪制,結合下表,下列說法正確的是（）

氫氧化物沉淀完全溶解Al（OH）33.3 5.2 7.8 12.8 Mg（OH）29.4 12.4——溶液pH開始沉淀沉淀完全沉淀開始溶解

A.據圖計算得n（Mg2+）：n（Al3+）=2∶1 B.小周實驗中,OA段生成兩種沉淀C.圖3中OA段表示僅生成Al（OH）3沉淀,AB段僅生成Mg（OH）2

D.結合表中數據和圖3分析,AB段可能發(fā)生：

Al（OH）3+OH-=AlO2-+2H2O

1.命題意圖

該題借助鎂、鋁氫氧化物開始沉淀和沉淀完全時的pH及Al（OH）3溶解的pH重新繪制沉淀形成的圖象,創(chuàng)設了新的情境,考查學生提取、應用圖表信息的能力。通過表格中的數據得到Al3+、Mg2+分步沉淀等關鍵信息,通過圖2、圖3的比較發(fā)現各段曲線的意義。

圖2

圖3

2.解題分析

該題給出的表格提供了以下幾個關鍵信息：

（1）Al3+比Mg2+先沉淀,pH=5.2時Al3+已沉淀完全而Mg2+還沒有開始沉淀。

（2）Al（OH）3開始溶解時（pH=7.8）,Mg2+還沒有開始沉淀（pH=9.4）,即并不是Mg2+、Al3+沉淀完全之后, Al（OH）3才開始溶解。

（3）Mg2+沉淀完全之后（pH=12.4）,Al（OH）3還沒有完全溶解（pH=12.8）。

由此可以判斷：圖2中先沉淀后溶解的分析肯定錯誤,但從中可以看出n（Mg2+）：n（Al3+）=1∶1。圖3中OA段應是Al3+沉淀：Al3++3OH-=Al（OH）3↓；AB段則是Al（OH）3開始溶解和Mg2+開始沉淀：Al（OH）3+OH-=AlO2-+2H2O, Mg2++2OH-=Mg（OH）2↓；BC段仍是Al（OH）3在溶解和Mg2+在沉淀,不難選出D答案。但若稍加思考,該題的表格和圖象均有值得商榷的地方。

三、對該問題的再思考

1.例2中值得商榷之處

（1）信息的給出。表格給出的pH數值都是根據溶度積常數Ksp數值計算得出：Ksp［Al（OH）3］=c（Al3+）·c3（OH-）,Ksp［Mg（OH）2］=c（Mg2+）·c2（OH-）,可見沉淀開始和沉淀完全的pH與Mg2+、Al3+的起始濃度有關,該條件不給出會讓學生誤以為任何情況下Mg2+、Al3+沉淀的pH都是表中數據。

（2）圖象的作法。題中圖3是“小周根據實驗結果繪制”,圖中有幾處疑問。

①AB段曲線。根據命題者意圖,AB段曲線應是Mg2+被沉淀和Al（OH）3不斷溶解的過程,而pH=7.8～9.4之間,不僅沒有沉淀形成Al（OH）3還在溶解,沉淀的物質的量不會是單調直線上升。

②B點位置。根據分步沉淀的先后順序,1molAl3+首先消耗3molOH-,然后先發(fā)生Al（OH）3部分溶解,則后面2mol（3mol～5mol）不全用來沉淀Mg2+,即B點Mg2+沒有完全沉淀,B點的縱坐標達不到2mol,即低于圖2中B點位置。

［如果考慮Mg2+、Al3+之間的相互影響，上述情況可能并非如此。——編者注］

2.修改建議

（1）指明實驗條件。例如：室溫下,向100mL濃度各為0.1mol/L的Mg2+、Al3+的混和溶液中逐滴加入NaOH溶液。

（2）變量修改。以NaOH的物質的量為變量與反應物的關系很易確定,但由于溶液對應pH很難從圖中看出,一些細節(jié)不易在圖中表達出來,尤其是pH=7.8～9.4之間的沉淀量變化,所以建議將圖象橫坐標改為混合液的pH,由pH計測定。

（3）作圖方法。由于以pH為變量,很難得到pH與n（沉淀）或m（沉淀）的線形關系,建議通過描點作圖的方法予以實現,尤其是幾個特殊點：pH=3.3、5.2、7.8、9.4、12.4等與沉淀量的關系。

建議步驟（根據實驗條件選擇pH計,最好用傳感器將結果直接呈現在計算機上）：

a.準確配制100mL濃度均為0.1mol/L的MgCl2、AlCl3混合溶液；

b.取10mL上述混合液置于錐形瓶中,用堿式滴定管逐滴加入0.10mol/L的NaOH溶液,邊振蕩邊用pH計測混合液pH；

c.當pH=3.3時,將錐形瓶中混合物過濾、洗滌、低溫干燥、稱量并記錄結果；

d.另取10mL混合液,按照c步驟操作,研究pH= 5.2、7.8、9.4、12.4等情況下沉淀質量（經分析,不存在沉淀是混合物的情況）；

e.根據5個特殊點描點作圖（用傳感器則直接得到圖像）。

四、小結

沉淀溶解平衡是高中化學新教材的新增知識點,通過該節(jié)內容的學習,學生對沉淀的生成、溶解及轉化有了更加理性的認識。一些原來只能定性分析的問題可以進行定量層次的深入思考,對問題的認識也更加透徹。圖象是定量分析的一個重要載體,“Mg2+、Al3+混和溶液中滴加NaOH溶液”的圖象問題就可以使得學生對Mg2+、Al3+的沉淀認識更加透徹。教學過程中用好這個例子,可以讓學生更好地理解如何通過調節(jié)pH使不同金屬陽離子分布沉淀的問題,事實上在分析化學中常用氨水和氯化銨混合溶液作為緩沖溶液［2］,保持溶液pH在9左右分離Mg2+、Al3+。

［1］武漢大學.吉林大學等校編.無機化學（第三版）［M］.北京：高等教育出版社，2002：404～405

［2］華彤文等編.普通化學原理（第3版）［M］.北京：北京大學出版社，2005：174

1008-0546（2011）08-0075-02

G633.8

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2011.08.036