對氫氧化鋁沉淀圖象問題的深度探究

安徽 張茹英 湯 偉

一道好的經(jīng)典習(xí)題，不僅可以錘煉學(xué)生的基礎(chǔ)知識，還可以較好地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，但隨著新課標(biāo)的不斷深化和實(shí)施，教學(xué)過程中我們還要逐步滲透學(xué)科素養(yǎng)，過去僅僅注重知識與能力已經(jīng)不能夠跟上時(shí)代的步伐，一些經(jīng)典習(xí)題可能不再經(jīng)典，甚至還可能會誤導(dǎo)學(xué)生或?qū)W(xué)生傳播一些錯(cuò)誤的、不科學(xué)的知識。例如關(guān)于Mg2+、Al3+離子在堿性條件下形成沉淀的圖象題可謂“經(jīng)典”中的“經(jīng)典”，下面我們重點(diǎn)針對該經(jīng)典問題做出剖析。

一、問題提出

關(guān)于Mg2+、Al3+離子在堿性條件下形成沉淀的圖象問題，目前為止，在各教輔資料中特別常見，筆者做了市場調(diào)研，在10個(gè)不同教輔資料中均出現(xiàn)了如下相同或類似的習(xí)題(看來是因?yàn)椤敖?jīng)典”，所以大部分編者會選編該試題)。

【“經(jīng)典”題】1：將一定質(zhì)量的鎂、鋁混合物投入200 mL稀硫酸中，固體全部溶解后，向所得溶液中加入5 mol·L-1的NaOH溶液，生成沉淀的物質(zhì)的量與加入NaOH溶液的體積的變化如圖1所示：

圖1

則下列說法不正確的是

( )

A.鎂和鋁的總質(zhì)量為9 g

B.最初20 mL NaOH溶液用于中和過量的硫酸

C.硫酸的物質(zhì)的量濃度為2.5 mol·L-1

D.生成的氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為11.2 L

【答案】D

【“經(jīng)典”題】2：在Al2(SO4)3和MgSO4的混合溶液中，滴加NaOH溶液，生成沉淀的量與滴入NaOH溶液的體積關(guān)系如圖2所示：

圖2

則原混合液中Al2(SO4)3和MgSO4的物質(zhì)的量濃度之比為

( )

A.6∶1 B.3∶1 C.2∶1 D.1∶2

【答案】D

圖3

請?zhí)顚懴铝锌瞻祝?/p>

(1)在該溶液中含有的離子是，它們的物質(zhì)的量濃度之比為。

(2)所加的淡黃色固體是(化學(xué)式)。

(2)Na2O2

分析上面圖象特點(diǎn)，我們可以發(fā)現(xiàn)Mg2+、Al3+在共存條件下滴加燒堿溶液，命題者認(rèn)為二者會同時(shí)形成沉淀，事實(shí)果真如此嗎？

二、問題剖析

Mg2+、Al3+在共存條件下滴加燒堿溶液，是否能夠同時(shí)形成沉淀，我們借助化學(xué)的學(xué)科觀念“宏觀辨識與微觀探析”、“變化觀念與平衡思想”，借助化學(xué)的學(xué)科思維“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”，憑借化學(xué)的學(xué)科實(shí)踐“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”，本著化學(xué)的學(xué)科價(jià)值取向“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”，對該類經(jīng)典的問題做出進(jìn)一步剖析。因?yàn)樵囶}特點(diǎn)一致，涉及反應(yīng)本質(zhì)相同，下面我們僅僅針對“經(jīng)典”題1做出詳細(xì)剖析，其他訓(xùn)練題類推即可。

事實(shí)果真如此嗎？

根據(jù)定量計(jì)算，我們會發(fā)現(xiàn)其結(jié)果會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們的預(yù)料之外。查閱教材，可以得出難溶性電解質(zhì)的溶度積常數(shù)Ksp[Al(OH)3]=1.3×10-33，Ksp[Mg(OH)2]=5.6×10-12，針對上述試題，鎂、鋁混合物溶解于200 mL稀硫酸中，若溶液的體積變化忽略不計(jì)，我們?nèi)菀椎贸鋈芤褐须x子的濃度：c(Al3+) ≈1.0 mol·L-1，c(Mg2+) ≈0.75 mol·L-1，由此我們可以計(jì)算出兩種離子開始形成沉淀和完全沉淀時(shí)的pH。首先我們可以計(jì)算推理得出該溶液各離子開始形成沉淀時(shí)的pH。

滴加NaOH溶液的過程中，顯然二者并非同時(shí)沉淀。

兩種離子完全形成沉淀時(shí)的pH又會是什么樣的結(jié)論呢？通常情況下，當(dāng)離子濃度達(dá)到1.0×10-5mol·L-1時(shí)，我們一般認(rèn)為沉淀完全。

結(jié)合以上計(jì)算結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋁離子完全沉淀后，鎂離子還沒有開始沉淀！以上經(jīng)典的習(xí)題常常會錯(cuò)誤認(rèn)為滴加NaOH溶液時(shí)，二者會同時(shí)形成沉淀，于是命題人常常會想當(dāng)然的編寫出了圖象！

針對Al(OH)3沉淀物，如果繼續(xù)滴加NaOH 溶液，二者能夠發(fā)生如下反應(yīng)：Al(OH)3+NaOH=Na[Al(OH)4]，此時(shí)沉淀又發(fā)生溶解，查閱大學(xué)教材相關(guān)內(nèi)容，可以得出Al(OH)3沉淀物開始溶解時(shí)的pH約為8.0，Al(OH)3沉淀完全溶解時(shí)的pH約為12.0。有些大學(xué)教材針對鋁鹽溶液中滴加NaOH溶液，溶液的pH與體系中鋁的各種微粒關(guān)系給出了如圖4所示的結(jié)論：

圖4

這與我們上面的定量計(jì)算結(jié)果基本上是一致的結(jié)論。

根據(jù)以上的剖析，我們可以進(jìn)一步推斷得出，上述“經(jīng)典”題1的沉淀變化曲線應(yīng)該如圖5所示(或更為復(fù)雜)：

圖5

三、教學(xué)建議

經(jīng)典試題本質(zhì)上應(yīng)該通過學(xué)生的訓(xùn)練，達(dá)到鞏固基礎(chǔ)知識的同時(shí)還能夠進(jìn)一步提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)和能力，一定不應(yīng)該傳播錯(cuò)誤的或偽科學(xué)知識。針對以上Mg2+、Al3+在堿性條件下形成沉淀的話題，我們希望在以后的教學(xué)過程中，教師不要想當(dāng)然的選編上述習(xí)題供學(xué)生訓(xùn)練，在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中讓學(xué)生認(rèn)識到沉淀反應(yīng)也存在競爭！要能夠辯證的看待該類反應(yīng)，訓(xùn)練過程中針對學(xué)生的認(rèn)識層次，可以選編近年來高考出現(xiàn)的類似試題，引導(dǎo)學(xué)生分析高考命題者是如何回避該問題的，例如以下幾道高考試題：

2012年安徽高考13題：已知室溫下，Al(OH)3的Ksp或溶解度遠(yuǎn)大于Fe(OH)3。向濃度均為0.1 mol·L-1的Fe(NO3)3和Al(NO3)3混合溶液中，逐滴加入NaOH溶液。下面圖6中表示生成Al(OH)3的物質(zhì)的量與加入NaOH溶液的體積的關(guān)系，合理的是

( )

圖6

該試題B、C選項(xiàng)是站在常規(guī)的思維模式，考查學(xué)生的邏輯推理能力，而命題者在命制該試題時(shí)一定考慮了鐵離子、鋁離子共存時(shí)滴加NaOH溶液二者沉淀的先后順序問題。

【答案】C

再如下面安徽與廣東的兩道高考試題：

2014年安徽高考13題：室溫下，在0.2 mol·L-1Al2(SO4)3溶液中，逐滴加入1.0 mol·L-1NaOH溶液，實(shí)驗(yàn)測得溶液pH隨NaOH溶液體積變化曲線如圖7所示，下列有關(guān)說法正確的是

( )

圖7

B.a～b段，溶液pH增大，Al3+濃度不變

C.b～c段，加入的OH-主要用于生成Al(OH)3沉淀

D.d點(diǎn)時(shí)，Al(OH)3沉淀開始溶解

【答案】C

2009年廣東高考24題：超細(xì)氧化鋁是一種重要的功能陶瓷原料。

(1)實(shí)驗(yàn)室常以NH4Al(SO4)2和NH4HCO3為原料，在一定條件下先反應(yīng)生成沉淀NH4AlO(OH)HCO3，該沉淀高溫分解即得超細(xì)Al2O3，NH4AlO(OH)HCO3熱分解的化學(xué)反應(yīng)方程式為。

(2)NH4Al(SO4)2·12H2O的相對分子質(zhì)量為453。欲配制100mL 、pH為2、濃度約為0.1 mol·L-1的NH4Al(SO4)2溶液，配制過程為：

①用托盤天平稱量NH4Al(SO4)2·12H2O固體g；

②將上述固體置于燒杯中。

(3)在0.1 mol·L-1NH4Al(SO4)2溶液中，鋁各形態(tài)的濃度(以Al3+計(jì))的對數(shù)(lgc)隨溶液pH變化的關(guān)系如圖8所示：

圖8

NaOH溶液調(diào)節(jié)(2)中溶液pH至7，該過程中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式有。

(2)①4.5 ②再向燒杯中加入100 mL蒸餾水，充分?jǐn)嚢柚凉腆w溶解

2014年安徽高考13題是在真實(shí)的數(shù)字實(shí)驗(yàn)下測定出來的圖象，具有真實(shí)性、科學(xué)性，2009年廣東高考試題是在理論計(jì)算的前提下得出的圖象。仔細(xì)研究該試題，我們還能夠看出在不同的pH條件下，鋁元素是以不同微粒形式存在的，命題者這樣設(shè)計(jì)，才是真正的結(jié)論。