鋁與酸、堿反應有關規律的討論及應用
2017-01-21 21:15:31洪云龍?お?
中學生理科應試 2016年11期
洪云龍?お?
高三復習《鋁及其化合物》時，常常會遇到“等量的鋁分別與含相等物質的量溶質的酸溶液、堿溶液反應”這個重要知識點.有些學生對其中蘊含的規律缺乏認識，或者雖知其然但不知其所以然，從而造成解答此類習題時一籌莫展，無從下筆.現就此知識點進行充分闡述，以幫助學生認識規律、應用規律.
一、深入討論，摸清規律
筆者特意設計了以下問題，展開深入討論，將得出的結論提煉成為規律，用來指導解題實踐.
問題 取兩份物質的量均為a mol的金屬鋁，分別與含溶質物質的量均為b mol的強酸HnX（
n=1或2）、強堿NaOH溶液反應.如果不考慮鋁與強酸或鋁與強堿恰好反應的情況，試分別討論：
1.鋁與HnX、氫氧化鈉溶液的反應存在幾種情況？為什么？在這幾種情況中，同時滿足鋁與HnX、鋁與氫氧化鈉溶液反應的a、b之間是什么關系？
2.鋁與HnX反應生成氫氣體積和鋁與氫氧化鈉溶液反應生成氫氣體積之比又各是多少？
討論：
對于①式，在不須討論恰好反應前提下，a mol Al與b mol HnX反應只有2種情況：要么鋁不足，要么鋁過量.
對于②式，在不須討論恰好反應前提下，a mol Al與b mol NaOH反應也只有2種情況：要么鋁不足，要么鋁過量.
同時符合①②兩式要求的，理論上有四種組合，預測出現四種情況，分別是：
第一種情況：鋁對于①式酸、②式堿均不足；第二種情況：鋁對于①式酸、②式堿均過量；
第三種情況：鋁對于①式酸過量，但對于②式堿不足；
第四種情況：鋁對于①式酸不足，但對于②式堿過量.
現對預測的四種情況逐一詳細討論，看能否成立以及a、b關系、生成氫氣體積比將如何.
第一種情況：鋁對于①式酸、②式堿均不足
（1）討論是否成立及a、b關系
①式中a、b之間關系：由于Al不足，HnX過量，所以有ab<2n6，即a ②式中a、b之間關系：由于Al不足，NaOH過量，所以有a 因為①式a 圖1 由上述得知a、b關系為：a （2）討論生成氫氣體積比 ①式中生成H2的物質的量：由于Al不足，故用a來求H2的物質的量，為3a2mol； ②式中生成H2的物質的量：由于Al不足，故用a來求H2的物質的量，為3a2mol. 故①②兩式中生成氫氣的體積比： 此結論是可逆互推的.在等量的鋁分別與含相等物質的量溶質的酸溶液、堿溶液反應中，如果Al對于酸、堿均不足，則必定存在V酸（H2）V堿（H2）=11或 ab 第二種情況：鋁對于①式酸、②式堿均過量 （1）討論是否成立及a、b關系 ①式中a、b之間關系：由于Al過量，HnX不足，所以有ab>2n6，即a>nb3； ②式中a、b之間關系：由于Al過量，NaOH不足，所以有a>b. 因為①式a>nb3和②式a>b存在交集，為a>b，即能在a>b范圍內找到同時滿足①②式要求的a、b的值，所以第二種情況會存在. 由上述得知a、b關系為：a>b，亦可變形為ab>11. （2）討論生成氫氣體積比 ①式中生成H2的物質的量：由于HnX不足，故用b來求H2的物質的量，為nb2mol； ②式中生成H2的物質的量：由于NaOH不足，故用b來求H2的物質的量，為3b2mol. 故①②兩式中生成氫氣的體積比： V酸（H2）V堿（H2）=nb23b2=n3 由此可得出結論：Al對于酸、堿均過量 V酸（H2）V堿（H2）=n3 或ab>11 第三種情況：鋁對于①式酸過量，但對于②式堿不足 （1）討論是否成立及a、b關系2nAl + 6HnX2AlnX3+3nH2↑ （n=1或2）① a molb mol 2Al + 2NaOH+2H2O2NaAlO2+3H2↑② a molb mol ①式中a、b之間關系：由于Al過量，HnX不足，所以有ab>2n6，即a>nb3； ②式中a、b之間關系：由于Al不足，NaOH過量，所以有a 因為①式a>nb3和②式a 由上述得知a、b關系為：nb3 （2）討論生成氫氣體積比 ①式中生成H2的物質的量：由于HnX不足，故用b來求H2的物質的量，為nb2mol； ②式中生成H2的物質的量：由于Al不足，故用a來求H2的物質的量，為3a2mol. 故①②兩式中生成氫氣的體積比： V酸（H2）V堿（H2）=nb23a2=nb3a 來討論nb3a的取值范圍. 利用得到的nb3
綜合起來，得：n3 由此得出結論： 鋁對于酸過量但對于堿不足 或n3 <11 或n3 可以看出，在鋁對于酸過量，但對于堿不足的情況下，生成H2的體積比剛好介于第一、第二種情況生成H2體積比之間，而ab亦介于第一、第二種情況比值范圍之間. 第四種情況：鋁對①式酸不足，但對②式堿過量 （1）討論是否成立 2nAl + 6HnX2AlnX3+3nH2↑ （n=1或2）① a molb mol 2Al + 2NaOH+2H2O2NaAlO2+3H2↑② a molb mol ①式中a、b之間關系：由于Al不足，HnX過量，所以有ab<2n6，即a ②式中a、b之間關系：由于Al過量，NaOH不足，所以有a>b. 因為①式a 圖2 當然，如果還考慮鋁與強酸或強堿恰好反應的情形，則遠不止上面幾種情況.例如當 ab=n3和ab=11時，會分別出現鋁與酸恰好，但對于堿不足以及鋁對于酸過量，但與堿恰好的情況.但此兩種情況在解題中應用不大，本文不加予討論. 根據以上討論，將相關結論綜合起來，可以得出以下規律： 規律一 等量的鋁分別與含相等物質的量溶質的酸、堿溶液反應，在不考慮恰好反應前提下，只能有三種反應情況： 第一種情況：鋁對于酸、堿均不足； 第二種情況：鋁對于酸、堿均過量； 第三種情況：鋁對于酸過量，但對于堿不足. 不存在第四種情況：鋁對于酸不足，但對于堿過量.（×） 可以用數軸將反應情況直觀地表示出來（圖3），以幫助更好地理解規律. 圖3 當ab n3 規律二：上述三種反應情況與 V酸（H2）V堿（H2） 或ab比值之間存在可逆互推關系，即由生成氫氣的體積比或ab可推知屬于哪種反應情況；反過來由某種反應情況亦可推出生成氫氣體積比或ab.具體為： 互推1：V酸（H2）V堿（H2）=11 或 ab 互推2：V酸（H2）V堿（H2） =ab>11或ab>11 Al對于酸、堿均過量 互推3：n3< V酸（H2）V堿（H2）<11 或 n3 （H2體積比、ab均介于第一、第二種情況之間） 二、遷移應用，指導解題 可以將這些規律遷移應用到解題實踐中. 例1 等體積、等物質的量濃度的H2SO4、NaOH溶液分別放在甲、乙兩個燒杯中，各加入等物質的量的鋁，生成H2體積比為5∶6，則甲、乙兩燒杯中反應情況可能分別是（）. A. 甲、乙中都是鋁過量 B. 甲中鋁過量，乙中堿過量 C. 甲中酸過量，乙中鋁過量 D. 甲中酸過量，乙中堿過量 解析 在等量的鋁分別與含相等物質的量溶質的酸、堿溶液反應中，根據規律一，知道只有三種反應情況，不存在第四種情況：鋁對于酸不足，但對于堿過量，從而迅速排除答案C.第一種反應情況生成H2的體積比是11，第二種反應情況生成H2的體積比是23（因為H2SO4是二元酸，n取值為2，故 n3=23）.此題中生成H2體積比為5∶6，剛好介于23與11之間，即介于第一、第二種情況生成H2的體積比之間，根據互推3知應為第三種情況：鋁對于酸過量，但對于堿不足，即甲中鋁過量，乙中堿過量，故答案為B.
