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時測定鋁鹽溶液與強堿溶液、偏鋁酸鹽溶液與強酸溶液反應過程的pH和光照強度變化，并利用四重表征對實驗結果作定性分析。同時結合有關平衡常數對實驗數據作理論分析，從定量的角度驗證氫氧化鋁的兩性，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變化的規律。

關鍵詞： 氫氧化鋁的兩性; pH傳感器; 光傳感器; 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2021）03-0079-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題提出及實驗目的

氫氧化鋁的兩性是上海市高級中學課本化學高二第一學期8.2節“鋁和鋁合金的崛起”[1]以及高三化學拓展型課程6.2節“一些金屬化合物”的學生實驗[2]，學習水平是B級。學科基本要求明確在認識氫氧化鋁電離平衡的基礎上，通過實驗探究不同酸堿性環境下鋁化合物的相互轉化，體會溶液的酸堿性環境對物質存在形態的重要影響，并感悟化學變化中反應物量的不同對產物的影響，是中學化學教學的重點和難點，也是化學學業水平考試和等級考試的熱點。

傳統的實驗學生只能定性地感知氫氧化鋁既能與酸又能與強堿反應，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識。

本實驗采用pH傳感器和光傳感器進行研究，通過手持數字傳感器技術實時采集并處理實驗數據，讓學生觀察硫酸鋁與氫氧化鈉、偏鋁酸鈉與鹽酸的反應進程，定量測定反應過程中的pH變化和光照強度變化，有利于理解反應的本質，理解量變與質變，從而更好地掌握氫氧化鋁的兩性性質。

2? 實驗儀器及試劑

儀器： 100mL燒杯、10mL移液管、洗耳球、磁力攪拌器、Vernier pH傳感器、Vernier滴數傳感器、Vernier光傳感器、Vernier數據采集器、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

實驗裝置如圖1所示。

3? 實驗操作步驟

3.1? 實驗室制備氫氧化鋁

（1） 校正滴數傳感器。

（2） 將氨水裝入滴數傳感器的滴定管中。

（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，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） 校正滴數傳感器。

（2） 將氫氧化鈉溶液和鹽酸分別裝入滴數傳感器的滴定管中。

（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和光照強度。

（4） 打開攪拌器開關，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，溶液變為澄清后停止滴加氫氧化鈉溶液，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，點擊采集按鈕。在某一滴滴入時，沉淀完全溶解，溶液變為澄清后停止滴加鹽酸，停止采集。

4? 數據記錄及分析處理

4.1? 實驗室制備氫氧化鋁

實驗室用0.2mol/L硫酸鋁溶液和2.0mol/L氨水反應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達到3.34時溶液白色渾濁明顯增多;pH達到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

第一次實驗（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達到3.39時溶液開始出現白色渾濁。起初，白色沉淀量增加緩慢，pH變化較小;當pH為4.58～5.03時，沉淀急劇增加，并有些發粘;此后，pH急劇變化，沉淀開始減少;當pH為10.0時，沉淀大部分溶解，此時溶液依然渾濁;當pH達到11.96時溶液變澄清。

繼續用鹽酸滴定，開始時鹽酸中和多余的氫氧化鈉，未見明顯現象。隨著鹽酸的滴加，當pH降至11.46時出現白色渾濁，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pH減小為3.71時，沉淀大部分溶解;當pH降為2.64時，溶液變澄清。大致經過和現象與硫酸鋁溶液中滴加氫氧化鈉溶液剛好相反（見圖3）。

第二次實驗： 鑒于第一次實驗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，在第二次實驗中嘗試增加了光傳感器，通過光傳

感器測量光照強度以反映產生氫氧化鋁沉淀量的多少。

實驗結果如圖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及光照強度變化。起始pH為2.47，光照強度為862lux;隨氫氧化鈉的滴加，pH達到3.80時溶液開始出現白色渾濁;當pH在4.94～11.35時，光照強度降為233～258lux，此時白色沉淀明顯;當pH為12.10時，沉淀消失，光照強度達最大1112lux。在偏鋁酸鈉中滴加鹽酸的過程不再贅述。

從實驗結果看，用0.1mol/L硫酸鋁溶液與1.0mol/L氫氧化鈉溶液反應，pH的變化曲線與第一次實驗基本相似，實驗重復性較好。第二次實驗中，隨著反應生成氫氧化鋁沉淀對光線的遮擋，光傳感器測到的光照強度隨之而變化，實測結果表明，光照強度曲線能較直觀地反映實驗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? 實驗分析

5.1? 四重表征理論分析

化學學習中的四重表征分析方法，結合了宏觀、微觀、符號和曲線表征多角度分析，有助于學生概念學習效果和圖像理解能力的提高[3]。本文4.2中第二次實驗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中第二次實驗利用鋁離子的水解平衡常數、絡合平衡常數K4和氫氧化鋁的濃度積常數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

（假設溶液中離子濃度低于1.0×10-5mol/L時認為其沉淀完全）

氫氧化鋁完全沉淀后隨氫氧化鈉溶液繼續不斷加入，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

從理論計算與實際測量值比較來看，該實驗結果是可信的。

6? 實驗結論及拓展

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

實驗數據清晰表明，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系，利用光傳感器來監測反應中產生沉淀的量隨反應進程的變化，彌補人為觀察的不足，生動地展現了化學變化從量變到質變的全過程。

利用該實驗裝置可進一步探索中學化學常見金屬陽離子（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，起始光照強度為28.3lux;鐵離子在pH為2.29時產生明顯紅褐色沉淀，光照強度為8.7lux;pH為3.55時，光照強度僅為3.3lux，表明氫氧化鐵沉淀完全（理論上根據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。

利用手持數字傳感器技術探究金屬陽離子形成氫氧化物沉淀的pH問題直觀明了，有助于學生對反應本質的理解，為學生進行研究性學習提供了一個很好的案例。

參考文獻：

[1]姚子鵬主編. 高級中學課本·高中二年級第一學期化學[M]. 上海： 上海科學技術出版社， 2007： 17.

[2]姚子鵬主編. 高級中學課本·化學拓展型課程[M]. 上海： 上海科學技術出版社， 2008： 125.

[3]錢揚義. 手持技術在化學實驗教學中的應用和建模研究[M]. 北京： 科學出版社， 2009

[4][5][6][美]J.A. 安迪. 魏俊發等譯. 蘭氏化學手冊（第二版）[M]. 北京： 科學出版社， 2003.