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(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驗結(jié)果作定性分析。同時結(jié)合有關(guān)平衡常數(shù)對實驗數(shù)據(jù)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(guī)律。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)識碼： B

1? 問題提出及實驗?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)生實驗[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，通過實驗探究不同酸堿性環(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)的重點和難點，也是化學(xué)學(xué)業(yè)水平考試和等級考試的熱點。

傳統(tǒng)的實驗學(xué)生只能定性地感知氫氧化鋁既能與酸又能與強(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。

本實驗采用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)實時采集并處理實驗數(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(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(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(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(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(qiáng)度以反映產(chǎn)生氫氧化鋁沉淀量的多少。

實驗結(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。

從實驗結(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驗基本相似，實驗重復(fù)性較好。第二次實驗中，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，實測結(jié)果表明，光照強(qiáng)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(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(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

從理論計算與實際測量值比較來看，該實驗結(jié)果是可信的。

6? 實驗結(jié)論及拓展

此實驗從定量的角度驗證氫氧化鋁的兩性。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。

實驗數(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。

利用該實驗裝置可進(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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[3]錢揚義. 手持技術(shù)在化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用和建模研究[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2009

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