利用pH傳感器和光傳感器探究氫氧化鋁的兩性

呂善榮

摘要： 利用pH傳感器和光傳感器實(shí)時測定鋁鹽溶液與強(qiáng)堿溶液、偏鋁酸鹽溶液與強(qiáng)酸溶液反應(yīng)過程的pH和光照強(qiáng)度變化，并利用四重表征對實(shí)驗(yàn)結(jié)果作定性分析。同時結(jié)合有關(guān)平衡常數(shù)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作理論分析，從定量的角度驗(yàn)證氫氧化鋁的兩性，明確鋁離子、氫氧化鋁及偏鋁酸根離子存在的溶液pH范圍以及氫氧化鋁沉淀量隨溶液pH變化的規(guī)律。

關(guān)鍵詞： 氫氧化鋁的兩性; pH傳感器; 光傳感器; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號： 1005-6629（2021）03-0079-05

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1? 問題提出及實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

氫氧化鋁的兩性是上海市高級中學(xué)課本化學(xué)高二第一學(xué)期8.2節(jié)“鋁和鋁合金的崛起”[1]以及高三化學(xué)拓展型課程6.2節(jié)“一些金屬化合物”的學(xué)生實(shí)驗(yàn)[2]，學(xué)習(xí)水平是B級。學(xué)科基本要求明確在認(rèn)識氫氧化鋁電離平衡的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)探究不同酸堿性環(huán)境下鋁化合物的相互轉(zhuǎn)化，體會溶液的酸堿性環(huán)境對物質(zhì)存在形態(tài)的重要影響，并感悟化學(xué)變化中反應(yīng)物量的不同對產(chǎn)物的影響，是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是化學(xué)學(xué)業(yè)水平考試和等級考試的熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)學(xué)生只能定性地感知?dú)溲趸X既能與酸又能與強(qiáng)堿反應(yīng)，因而具有兩性。對于氫氧化鋁溶液的酸堿性在何種程度下以鋁離子形式存在、何種程度下以偏鋁酸根離子形式存在只有模糊的認(rèn)識。

本實(shí)驗(yàn)采用pH傳感器和光傳感器進(jìn)行研究，通過手持?jǐn)?shù)字傳感器技術(shù)實(shí)時采集并處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，讓學(xué)生觀察硫酸鋁與氫氧化鈉、偏鋁酸鈉與鹽酸的反應(yīng)進(jìn)程，定量測定反應(yīng)過程中的pH變化和光照強(qiáng)度變化，有利于理解反應(yīng)的本質(zhì)，理解量變與質(zhì)變，從而更好地掌握氫氧化鋁的兩性性質(zhì)。

2? 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

儀器： 100mL燒杯、10mL移液管、洗耳球、磁力攪拌器、Vernier pH傳感器、Vernier滴數(shù)傳感器、Vernier光傳感器、Vernier數(shù)據(jù)采集器、電腦、鐵架臺

藥品： 0.2mol/L及0.1mol/L硫酸鋁溶液、2.0mol/L氨水、1.0mol/L氫氧化鈉溶液、1.0mol/L鹽酸

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

3? 實(shí)驗(yàn)操作步驟

3.1? 實(shí)驗(yàn)室制備氫氧化鋁

（1） 校正滴數(shù)傳感器。

（2） 將氨水裝入滴數(shù)傳感器的滴定管中。

（3） 用移液管移取10.0mL硫酸鋁溶液至燒杯中，開啟pH傳感器測定其pH。

（4） 打開攪拌器開關(guān)，開啟滴定管活塞將氨水滴入硫酸鋁溶液中，邊滴邊攪拌，并不斷測定溶液的pH變化。

3.2? 探究氫氧化鋁的兩性

（1） 校正滴數(shù)傳感器。

（2） 將氫氧化鈉溶液和鹽酸分別裝入滴數(shù)傳感器的滴定管中。

（3） 用移液管移取10.0mL硫酸鋁溶液至燒杯中，開啟pH傳感器和光傳感器測定其pH和光照強(qiáng)度。

（4） 打開攪拌器開關(guān)，開啟滴定管活塞用氫氧化鈉溶液滴定硫酸鋁溶液，邊滴邊攪拌，并不斷測定溶液的pH變化。在某一滴滴入時，沉淀完全溶解，溶液變?yōu)槌吻搴笸Ｖ沟渭託溲趸c溶液，停止采集。

（5） 用鹽酸滴定上述已測定的溶液，選擇圖像附加在之前圖像后，點(diǎn)擊采集按鈕。在某一滴滴入時，沉淀完全溶解，溶液變?yōu)槌吻搴笸Ｖ沟渭欲}酸，停止采集。

4? 數(shù)據(jù)記錄及分析處理

4.1? 實(shí)驗(yàn)室制備氫氧化鋁

實(shí)驗(yàn)室用0.2mol/L硫酸鋁溶液和2.0mol/L氨水反應(yīng)制備氫氧化鋁過程中，硫酸鋁溶液由于水解作用，其起始pH約為2.20。隨氨水的滴加，pH達(dá)到3.34時溶液白色渾濁明顯增多;pH達(dá)到4.52時，氫氧化鋁沉淀完全（如圖2所示）。

4.2? 探究氫氧化鋁的兩性

第一次實(shí)驗(yàn)（圖3）： 在0.2mol/L硫酸鋁溶液中滴加1.0mol/L氫氧化鈉溶液，測定pH變化。起始pH為2.27，隨著氫氧化鈉的滴加，pH達(dá)到3.39時溶液開始出現(xiàn)白色渾濁。起初，白色沉淀量增加緩慢，pH變化較小;當(dāng)pH為4.58～5.03時，沉淀急劇增加，并有些發(fā)粘;此后，pH急劇變化，沉淀開始減少;當(dāng)pH為10.0時，沉淀大部分溶解，此時溶液依然渾濁;當(dāng)pH達(dá)到11.96時溶液變澄清。

繼續(xù)用鹽酸滴定，開始時鹽酸中和多余的氫氧化鈉，未見明顯現(xiàn)象。隨著鹽酸的滴加，當(dāng)pH降至11.46時出現(xiàn)白色渾濁，白色沉淀量增加較快，pH變化較小;此后，沉淀緩慢消失，pH迅速減小;當(dāng)pH減小為3.71時，沉淀大部分溶解;當(dāng)pH降為2.64時，溶液變澄清。大致經(jīng)過和現(xiàn)象與硫酸鋁溶液中滴加氫氧化鈉溶液剛好相反（見圖3）。

第二次實(shí)驗(yàn)： 鑒于第一次實(shí)驗(yàn)過程中氫氧化鋁沉淀量的多少是通過肉眼觀察來判斷難以定量描述，因此，在第二次實(shí)驗(yàn)中嘗試增加了光傳感器，通過光傳

感器測量光照強(qiáng)度以反映產(chǎn)生氫氧化鋁沉淀量的多少。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

在0.1mol/L硫酸鋁溶液中滴加1.0mol/L氫氧化鈉溶液，測定pH及光照強(qiáng)度變化。起始pH為2.47，光照強(qiáng)度為862lux;隨氫氧化鈉的滴加，pH達(dá)到3.80時溶液開始出現(xiàn)白色渾濁;當(dāng)pH在4.94～11.35時，光照強(qiáng)度降為233～258lux，此時白色沉淀明顯;當(dāng)pH為12.10時，沉淀消失，光照強(qiáng)度達(dá)最大1112lux。在偏鋁酸鈉中滴加鹽酸的過程不再贅述。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，用0.1mol/L硫酸鋁溶液與1.0mol/L氫氧化鈉溶液反應(yīng)，pH的變化曲線與第一次實(shí)驗(yàn)基本相似，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較好。第二次實(shí)驗(yàn)中，隨著反應(yīng)生成氫氧化鋁沉淀對光線的遮擋，光傳感器測到的光照強(qiáng)度隨之而變化，實(shí)測結(jié)果表明，光照強(qiáng)度曲線能較直觀地反映實(shí)驗(yàn)過程中氫氧化鋁沉淀量的變化，有效避免了肉眼觀察造成的人為偏差。

5? 實(shí)驗(yàn)分析

5.1? 四重表征理論分析

化學(xué)學(xué)習(xí)中的四重表征分析方法，結(jié)合了宏觀、微觀、符號和曲線表征多角度分析，有助于學(xué)生概念學(xué)習(xí)效果和圖像理解能力的提高[3]。本文4.2中第二次實(shí)驗(yàn)0.1mol/L硫酸鋁溶液中滴入1.0mol/L氫氧化鈉溶液過程中的四重表征分析如表1所示。

5.2? 平衡理論分析

就本文4.2中第二次實(shí)驗(yàn)利用鋁離子的水解平衡常數(shù)、絡(luò)合平衡常數(shù)K4和氫氧化鋁的濃度積常數(shù)Ksp從理論上分析0.2mol/L Al3+溶液本身的pH、開始形成氫氧化鋁沉淀、沉淀完全、沉淀開始消失及沉淀完全消失時的pH。

在鋁鹽溶液中，由于Al3+的水解溶液呈酸性，Al3+濃度為0.2mol/L溶液本身的pH：

Al3++H2OAl（OH）2++H+? pK=4.984[4]

K=1.0375×10-5

[H+]=cK=0.2×1.0375×10-5=1.44×10-3mol/L， pH=2.84

Al3+開始沉淀和完全沉淀時的pH：

Ksp[Al（OH）3]=[Al3+][OH-]3=1.3×10-33[5]

Al3+開始沉淀時的pH： [OH-]=3KspAl3+=31.3×10-330.2=1.87×10-11mol/L

pOH=10.7， pH=3.3

Al3+完全沉淀時的pH： [OH-]=31.3×10-331.0×10-5=5.1×10-10mol/L

pOH=9.3， pH=4.7

（假設(shè)溶液中離子濃度低于1.0×10-5mol/L時認(rèn)為其沉淀完全）

氫氧化鋁完全沉淀后隨氫氧化鈉溶液繼續(xù)不斷加入，沉淀逐漸溶解直至完全消失時的pH：

Al3++4OH-[Al（OH）4]-? lgK4=33.03[6]， K4=1.07×1033

對于Al（OH）3+OH-[Al（OH）4]-? K=K4·Ksp=[Al（OH）-4][OH-]=1.07×1.3

氫氧化鋁沉淀開始溶解時的pH：

[OH-]=[Al（OH）-4]1.07×1.3=1.0×10-51.07×1.3=7.19×10-6mol/L

pOH=5.1， pH=8.9

氫氧化鋁沉淀完全消失時的pH：

[OH-]=[Al（OH）-4]1.07×1.3=0.21.07×1.3=0.144mol/L

pOH=0.84， pH=13.16

從理論計算與實(shí)際測量值比較來看，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可信的。

6? 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及拓展

此實(shí)驗(yàn)從定量的角度驗(yàn)證氫氧化鋁的兩性。當(dāng)pH<3.4時，Al（OH）3溶解在酸中，生成Al3+;當(dāng)pH>12時，Al（OH）3溶解在堿中，生成Al（OH）-4（中學(xué)化學(xué)中一般簡寫為AlO-2）;pH在4～11范圍內(nèi)，在溶液中以Al（OH）3沉淀存在。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)清晰表明，溶液中含鋁元素的微粒在不同pH范圍的存在形式和量的關(guān)系，利用光傳感器來監(jiān)測反應(yīng)中產(chǎn)生沉淀的量隨反應(yīng)進(jìn)程的變化，彌補(bǔ)人為觀察的不足，生動地展現(xiàn)了化學(xué)變化從量變到質(zhì)變的全過程。

利用該實(shí)驗(yàn)裝置可進(jìn)一步探索中學(xué)化學(xué)常見金屬陽離子（如鎂離子、銅離子、鐵離子等）形成氫氧化物沉淀的pH相關(guān)問題。如0.1mol/L氯化鐵溶液（配制過程中用少量鹽酸酸化）中滴加1.0mol/L氫氧化鈉溶液過程（如圖5所示）中，氯化鐵溶液起始pH為1.87，起始光照強(qiáng)度為28.3lux;鐵離子在pH為2.29時產(chǎn)生明顯紅褐色沉淀，光照強(qiáng)度為8.7lux;pH為3.55時，光照強(qiáng)度僅為3.3lux，表明氫氧化鐵沉淀完全（理論上根據(jù)Ksp[Fe（OH）3]，0.1mol/L的鐵離子開始沉淀的pH為2.34，沉淀完全時的pH為3.68）。可見，金屬陽離產(chǎn)生氫氧化物沉淀時的pH有一定的差異，并且不一定是在堿性條件下才有氫氧化物沉淀生成。

利用手持?jǐn)?shù)字傳感器技術(shù)探究金屬陽離子形成氫氧化物沉淀的pH問題直觀明了，有助于學(xué)生對反應(yīng)本質(zhì)的理解，為學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)提供了一個很好的案例。

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