氫氧化鋁在氨水中溶解性能的實(shí)驗(yàn)探究

戴燕妮　鄭子山　陳裕森

摘要： 通過(guò)比較不同條件下制備的氫氧化鋁在不同濃度氨水中的溶解情況，發(fā)現(xiàn)影響氫氧化鋁溶解情況的主要因素是氫氧化鋁的晶型和氨水濃度。通過(guò)探究氫氧化鋁在氨水中的溶解性能，幫助學(xué)生理解和掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)探究和終身學(xué)習(xí)的能力。

關(guān)鍵詞： 氫氧化鋁; 氨水; 溶解性能; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2019）5-0082-03 ? ? ? ? ? ?中圖分類號(hào)： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

氫氧化鋁所表現(xiàn)的酸、堿兩性是中學(xué)化學(xué)元素化合物知識(shí)的重點(diǎn)內(nèi)容。在蘇教版《化學(xué)1》的“活動(dòng)與探究”欄目中，通過(guò)比較可溶性鋁鹽與過(guò)量的弱堿氨水、強(qiáng)堿NaOH的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，觀察到氫氧化鋁不能溶解在過(guò)量氨水中，但能溶于NaOH溶液中。根據(jù)該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，教師一般只強(qiáng)調(diào)氫氧化鋁易溶于強(qiáng)堿而難溶于弱堿[1]。氫氧化鋁在弱堿中的溶解性不僅涉及到電離平衡及沉淀溶解平衡知識(shí)點(diǎn)，而且涉及到晶體晶型、材料物相等復(fù)雜問(wèn)題。探討氫氧化鋁在堿中的溶解性，并開(kāi)發(fā)為高中生課外科技活動(dòng)項(xiàng)目，不僅有利于學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)并掌握有關(guān)氫氧化鋁性質(zhì)、電離平衡、沉淀溶解平衡及相關(guān)的基礎(chǔ)結(jié)晶學(xué)知識(shí)，同時(shí)還可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 ?課外科技活動(dòng)的實(shí)施

1.1 ?實(shí)驗(yàn)藥品和儀器

Al2（SO4）3·18H2O（AR）、氨水（AR）、氫氧化鋁（AR）、蒸餾水、磷酸-磷酸鈉的緩沖液（PBS）、250mL容量瓶、量筒、膠頭滴管、玻璃棒、燒杯、分析天平、藥勺、保鮮膜、8205系列筆式pH計(jì)

1.2 ?實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 ?氫氧化鋁的制備

用分析天平稱取約16.6666g的Al2（SO4）3·18H2O固體，配成250mL 0.10mol/L的溶液。往盛有20mL Al2（SO4）3溶液的燒杯中加入適量濃氨水，攪拌，抽濾，洗滌（7～8次），即可得到新制氫氧化鋁固體。將該固體分成不作處理、烘干、風(fēng)干三部分。

1.2.2 ?氨水濃度的配制及其pH測(cè)量

用分析純氨水配制氨水和水體積比分別為1∶1、1∶2、1∶3的溶液，并將配制的溶液分別儲(chǔ)存在編號(hào)為1∶1、1∶2、1∶3的試劑瓶中。用磷酸-磷酸鈉的緩沖液（PBS）校正過(guò)的8205系列筆式pH計(jì)測(cè)出各個(gè)比例氨水的pH，并記錄數(shù)據(jù)。

1.2.3 ?氫氧化鋁在氨水中的溶解性實(shí)驗(yàn)

將學(xué)生分成4組，讓A、 B、 C、 D四組同學(xué)依次分別稱取上述新制的未作處理的氫氧化鋁固體、在60℃下干燥2h的氫氧化鋁、自然狀態(tài)下風(fēng)干12h的氫氧化鋁和氫氧化鋁（AR）0.0100g。并往制備條件不同的氫氧化鋁中，分別加入

適量體積的上述配制的1∶1、1∶2、1∶3的氨水溶液，邊加邊攪拌，用保鮮膜將燒杯口密封，觀察溶解情況，做好觀察記錄。

2 ?實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果分析

2.1 ?實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察

所生成的以及經(jīng)過(guò)不同處理情況后的氫氧化鋁在不同濃度的氨水中的溶解情況示于表1中。從表1可知不論氨水的濃度如何，氫氧化鋁在氨水中均無(wú)法完全溶解，氨水濃度越低其溶解性越差。表1的四組實(shí)驗(yàn)表明新制的未作處理的氫氧化鋁在氨水中的溶解性較好，經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干12小時(shí)的較差，經(jīng)60℃烘干2小時(shí)后的以及藥品氫氧化鋁（AR）最差。

表1 ?氫氧化鋁在氨水中的溶解情況

組別濃度1∶1 ? ?pH=12.61∶2 ? ?pH=12.51∶3 ? ?pH=12.4

A新制氫氧化鋁杯底有極少量白色絮狀物少量白色固體小顆粒較多白色固體小顆粒

B新制氫氧化鋁經(jīng)烘干2h有大量的白色固體顆粒有大量的白色固體顆粒有大量的白色固體顆粒

C新制氫氧化鋁經(jīng)自然風(fēng)干12h少量白色固體顆粒少量白色固體顆粒有較多的白色固體顆粒

D藥品氫氧化鋁（AR）有大量的白色固體顆粒有大量的白色固體顆粒有大量的白色固體顆粒

2.2 ?理論分析

氫氧化鋁與氨水的反應(yīng)實(shí)際包含著多個(gè)可逆反應(yīng)，具體可用如下幾個(gè)離子方程式表達(dá)：

若標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)Kθ大于103，則說(shuō)明反應(yīng)進(jìn)行得很完全，反應(yīng)物都轉(zhuǎn)化為生成物;若10-3

同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)同種晶型的氫氧化鋁在不同溫度下，K值是不一樣的。K值隨著溫度的增加而減小，說(shuō)明溫度升高，反應(yīng)有利于向逆反應(yīng)方向移動(dòng)。

除了通過(guò)分析K值，還可利用極值法計(jì)算完全溶解氫氧化鋁所需氨水的濃度。利用氨水與氫氧化鋁的各反應(yīng)可逆方程進(jìn)行理論計(jì)算，假設(shè)一升溶液中有0.1mol的氫氧化鋁完全溶于濃氨水中，則[NH+4]=[Al（OH）-4]=0.1mol/L，根據(jù)K=[NH+4][Al（OH）-4][NH3·H2O]，即可算出無(wú)水氫氧化鋁、三水合氫氧化鋁對(duì)應(yīng)消耗濃氨水的濃度。完全溶解無(wú)水氫氧化鋁所需的[NH3·H2O]≥263mol/L，而濃氨水最大濃度僅為15mol/L，因此，無(wú)水氫氧化鋁難溶于濃氨水中。完全溶解三水合氫氧化鋁所需的[NH3·H2O]≈5×10-20mol/L，因此，三水合氫氧化鋁能夠完全溶解在濃氨水中。

由此可見(jiàn)，如果生成的氫氧化鋁為三水合氫氧化鋁，則很容易溶解于濃度較低的氨水中，而如果生成的氫氧化鋁為無(wú)水氫氧化鋁，則其在弱堿中的溶解性可以說(shuō)幾乎不溶解。從表1中可以看出新制的氫氧化鋁在氨水的溶解性最好，經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干12小時(shí)的氫氧化鋁在氨水中溶解性較差，烘干后的氫氧化鋁（AR）在氨水中的溶解性最差。由此可以推測(cè)新制氫氧化鋁和自然風(fēng)干12小時(shí)的氫氧化鋁大部分應(yīng)為易溶于弱堿的三水合氫氧化鋁，而所制備的氫氧化鋁在經(jīng)過(guò)烘干后會(huì)由三水合氫氧化鋁脫水生成難溶于弱堿的無(wú)水氫氧化鋁。

2.3 ?熱力學(xué)分析氫氧化鋁溶解性與物相關(guān)系

晶體物質(zhì)的溶解要克服其晶格能，即晶格能越大則物質(zhì)越難溶解。氫氧化鋁存在著三種狀態(tài)，分別為結(jié)晶態(tài)的拜耳石、非晶態(tài)的氫氧化鋁以及水溶液態(tài)的非電離物質(zhì)Al（OH）-4，它們的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓分別為-2586.67kJ·mol-1、 -1276kJ·mol-1、 -1502.5kJ·mol-1。當(dāng)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓越小，表示該化合物越穩(wěn)定[7]。因此，三者中最穩(wěn)定的是拜耳石，Al（OH）-4次之，最不穩(wěn)定的是非晶態(tài)固體Al（OH）3。因此非晶態(tài)固體Al（OH）3在堿性溶液中的溶解性最好，Al（OH）-4次之，拜耳石最差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明新制氫氧化鋁在濃氨水中溶解性最好，其物相當(dāng)以非晶態(tài)為主;而在室溫下自然風(fēng)干12小時(shí)的氫氧化鋁溶解性明顯變差，在實(shí)驗(yàn)中觀察到有較多不溶于濃氨水的白色固體小顆粒;氫氧化鋁（AR）和烘干后的氫氧化鋁在濃氨水中幾乎不溶解，因此，可推測(cè)新制氫氧化鋁經(jīng)過(guò)風(fēng)干尤其較高溫度下烘干后會(huì)有部分轉(zhuǎn)化為更加穩(wěn)定的非電離物質(zhì)Al（OH）-4及結(jié)晶態(tài)拜耳石。可推測(cè)自然風(fēng)干的氫氧化鋁主要含有非電離物質(zhì)Al（OH）-4，而烘干后的和藥品氫氧化鋁（AR）二者主要含有拜耳石。

可將上述“氫氧化鋁在氨水中的溶解性”開(kāi)發(fā)為課外科技活動(dòng)項(xiàng)目，作為課堂教學(xué)的延伸、補(bǔ)充和拓展。探究氫氧化鋁在氨水中的溶解情況，融合了鋁元素化合物、物質(zhì)提純的方法、溶液中的離子反應(yīng)以及焓變等多方面的知識(shí)，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到氫氧化鋁在一定條件下也能溶于弱堿氨水中，明白氫氧化鋁的晶型、狀態(tài)和氨水濃度會(huì)影響其溶解情況?？傊趯W(xué)生已學(xué)元素化合物知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行關(guān)于平衡原理的進(jìn)一步學(xué)習(xí)與應(yīng)用，可以幫助學(xué)生鞏固舊知、拓展新知，同時(shí)可以兼顧培養(yǎng)學(xué)生的綜合運(yùn)用知識(shí)的能力、實(shí)踐能力和科學(xué)探究能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和質(zhì)疑精神。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉水秀. 從氫氧化鋁的溶解談中學(xué)化學(xué)素養(yǎng)養(yǎng)成[J]. 讀與寫(xiě)（教育教學(xué)刊）， 2016， 13（09）： 154.

[2][4][5][6][7]大連理工大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)教研室. 無(wú)機(jī)化學(xué)[M]. 北京： 高等教育出版社， 2006.

[3]馬有成， 王英華， 來(lái)雅文. 簡(jiǎn)明分析化學(xué)[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2017.