图1 Al (OH)3质量与NaOH溶液体积关系
Figure 1. Relationship between the mass of aluminum hydroxide and volume of sodium hydroxide solution
引用本文:
李友银, 石璞. 铝盐与氢氧化钠反应生成氢氧化铝沉淀的实验探究[J]. 化学教育,
2016, 37(5): 53-55.
doi:
10.13884/j.1003-3807hxjy.2014060017
Citation: LI You-Yin, SHI Pu. Experiment Inquiry on the Reaction of Aluminum Salts and Sodium Hydroxide to Produce Aluminum Hydroxide Precipitation[J]. Chinese Journal of Chemical Education, 2016, 37(5): 53-55. doi: 10.13884/j.1003-3807hxjy.2014060017
Citation: LI You-Yin, SHI Pu. Experiment Inquiry on the Reaction of Aluminum Salts and Sodium Hydroxide to Produce Aluminum Hydroxide Precipitation[J]. Chinese Journal of Chemical Education, 2016, 37(5): 53-55. doi: 10.13884/j.1003-3807hxjy.2014060017
铝盐与氢氧化钠反应生成氢氧化铝沉淀的实验探究
English
Experiment Inquiry on the Reaction of Aluminum Salts and Sodium Hydroxide to Produce Aluminum Hydroxide Precipitation
Abstract:
This paper explored change of pH in the reaction of aluminum sulfate solution and sodium hydroxide through digital experimental method, the change curve between pH and the volume of sodium hydroxide solution was obtained, so the relationship between the amount of sodium hydroxide and formation and dissolution of aluminum hydroxide precipitation was got. This research could change people's misunderstanding on amphoteric aluminum hydroxide, played an active role in the high school chemistry teaching.
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Key words:
- aluminum salt
- / sodium hydroxide
- / aluminum hydroxide precipitation
- / experiment inquiry
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1 问题的提出
由于Al (OH)3是一典型的两性氢氧化物，所以，是中学化学教学的重点和难点，也是高考命题的热点。但人们对它的两性认识还存在一些误区，有一类广为流传的“铝三角”习题，呈现的是向铝盐溶液中逐滴加入NaOH溶液，生成沉淀的质量(m)与加入NaOH溶液的体积(V)之间关系的经典曲线(如图 1所示)，2者关系不妥。试图通过对Al2(SO4)3溶液与NaOH反应过程中pH的变化进行探究，纠正人们在Al (OH)3两性认识上存在的错误。
2 实验
2.1 实验仪器与药品
实验仪器：磁力搅拌器、铁架台、威尼尔pH传感器、滴数传感器、全功能数据采集器、电脑、电子天平、250 mL容量瓶、250 mL烧杯。
实验药品：Al2(SO4)3(AR)，NaOH (AR)。
2.2 实验操作
(1)配制0.100 mol·L-1的Al2(SO4)3溶液和1.00 mol·L-1 NaOH溶液各250 mL。
(2)用25 mL移液管量取50 mL 0.100 mol·L-1 Al2(SO4)3溶液于250 mL烧杯中，将烧杯放置在磁力搅拌器上，并放入磁力搅拌子，将pH传感器的电极插入液面下。
(3)在滴数传感器的滴定管内装入1.00 mol·L-1 NaOH溶液，固定于铁架台上。
(4)打开电脑软件，开启磁力搅拌器进行搅拌，点击采集按钮，打开滴定管活塞，滴加NaOH溶液，采集滴定过程中NaOH溶液体积和pH计读数，观察滴定过程中溶液中出现的现象。
2.3 实验装置
实验装置如图 2所示。
图2 实验装置
Figure 2. Experiment device
3 数据与分析
3.1 实验现象与数据
实验数据记录见图 3。
图3 溶液pH与NaOH溶液体积的关系曲线
Figure 3. Relation curve between solution pH and volume of sodium hydroxide solution
初始时，测定0.100 mol·L-1 Al2(SO4)3溶液pH=3.22。向其中滴入少量NaOH溶液，沉淀现象不明显，pH不断增大；当滴入3.12 mL NaOH溶液时，pH=3.39，溶液中开始出现少量沉淀，搅拌后沉淀不溶解；当滴入34.57 mL NaOH溶液时，pH=4.63，得到大量白色胶状氢氧化铝沉淀。
此后，再滴入NaOH溶液，pH急剧变化。当滴入46.10 mL NaOH溶液至pH=10.41以后，pH变化趋缓；当滴入NaOH溶液58.95 mL，测得pH=11.55时，观察到浊液变澄清；继续滴入NaOH溶液，曲线再次变陡，最终pH趋近13。
3.2 理论分析
氢氧化铝为一典型的两性氢氧化物。当氢氧化铝为弱碱时，则有：
Ksp[Al (OH)3]=c(OH-)3·c(Al3+), 已知：Ksp[Al (OH)3]=1.3×10-33。
当c(Al3+)=0.200 mol·L-1时，计算得出c(OH-)=10-10.7 mol·L-1，即氢氧化铝开始沉淀的pH约为3.30，而实验值是pH=3.39开始出现浑浊。当c(Al3+)=10-5 mol·L-1时，计算得氢氧化铝沉淀完全的pH约为4.67，这与实验值pH为4.63十分吻合。
当氢氧化铝为弱酸时，Al (OH)3+H2O⇌[Al (OH)4]-+H+，已知：pKa=12.2[1]。氢氧化铝沉淀开始溶解不便观察，但在滴入NaOH溶液至pH为10.41后曲线变化趋缓，说明此时沉淀开始溶解；当滴入NaOH溶液58.95 mL时浊液变澄清，此时[Al (OH)4]-的浓度为0.2 mol·L-1×50/109=0.0918 mol·L-1，计算得c(H+)=10-11.2 mol·L-1，即氢氧化铝沉淀完全溶解的pH为11.2，这与实验测定值pH为11.55基本吻合。
随着NaOH溶液的不断滴入，Al2(SO4)3溶液中pH变化曲线出现2个平台，即主要发生2个反应：Al3++3OH-=Al (OH)3↓；OH-+Al (OH)3=AlO2-+2H2O。已知，在50 mL 0.100 mol·L-1 Al2(SO4)3溶液中含0.01 mol Al3+，发生2个反应共需消耗0.04 mol NaOH，即消耗1.00 mol·L-1 NaOH溶液40 mL便可使Al3+→Al (OH)3→NaAlO2，但实际消耗1.00 mol·L-1 NaOH溶液58.95 mL，比理论值多18.95 mL，说明此过程情况较为复杂，不能简单地理解为Al3+→Al (OH)3→NaAlO2。
在铝盐溶液中，由于Al3+的水解溶液呈酸性：[Al (H2O)6]3++H2O⇌[Al (OH)(H2O)5]2++H3O+，而生成的[Al (OH)(H2O)5]2+还将逐级解离，致使铝盐溶液中存在[Al (H2O)6]3+、[Al (OH)(H2O)5]2+、[Al (OH)2(H2O)4]+、[Al2(OH)2(H2O)8]4+等多种离子，随着NaOH的不断加入溶液pH增大，溶液中还会出现多聚离子[Al13O4(OH)24(H2O)12]7+[2]492。
此外，在铝盐溶液中加入NaOH溶液，制得的氢氧化铝是一种凝胶状白色沉淀，其含水量不定，组成也不均匀，其组成可表示为Al2O3·nH2O，这种水合氧化铝静置后可慢慢失水转化为偏氢氧化铝AlO (OH)[3]，AlO (OH)和Al (OH)3的溶解要在pH＞11.42的强碱性溶液中才能实现，并非在pH为4.63。实验室通常是在40~60 ℃时，将CO2通入pH＞12的NaAlO2溶液中才可制得氢氧化铝[2]455，说明NaAlO2存在于pH较大的强碱性溶液中。欲使氢氧化铝沉淀溶解，必须将溶液的pH由4.63升至11.5左右方可，此时将会额外消耗一定体积的NaOH溶液。
4 讨论与结论
4.1 讨论
(1)铝盐溶液加入NaOH溶液制备氢氧化铝以及氢氧化铝沉淀溶解的情况较为复杂，实验中Al3+和NaOH溶液的浓度不同，沉淀是否陈化，滴入NaOH溶液的快慢，磁力搅拌器搅拌是否充分等操作，都会对NaOH溶液的体积消耗量产生一定影响。
(2)在实验过程中，采用0.100 mol·L-1的Al2(SO4)3溶液进行实验，这样离子强度小，使离子活度与离子浓度相近，产生的误差小。
(3)对于氢氧化铝沉淀，从开始沉淀到出现大量白色胶状沉淀，溶液pH=3.39~4.63，而制备的氢氧化铝悬浊液测其pH为4.21，正好落在此区间，可以很好地说明问题。
(4)氢氧化铝沉淀开始溶解的现象难以观察到，但可以借助溶液pH与NaOH溶液体积的关系曲线在pH为10.41时升高变缓，认为氢氧化铝沉淀开始溶解。
4.2 结论
根据以上实验数据和计算表明：在铝盐溶液中逐滴加入NaOH溶液，在pH为4.63时，铝离子沉淀完全，然后继续逐滴加入NaOH溶液，生成的氢氧化铝沉淀不会立即发生溶解，要在pH＞11的强碱性溶液中，Al (OH)3沉淀才能发生溶解。溶液pH的升高，会额外消耗一定量NaOH溶液，生成沉淀的质量与所加NaOH溶液体积关系的经典曲线与事实不符。因此，可以根据实验得出的溶液pH与NaOH溶液体积关系曲线(图 4)，粗略地绘制出Al (OH)3沉淀质量(m)与所加NaOH溶液体积(V)的变化曲线(如图 5)，从而改变人们在Al (OH)3两性认识上存在的误区。
图4 溶液pH与NaOH溶液体积关系
Figure 4. Relation curve between solution pH and volume of sodium hydroxide solution
图5 Al (OH)3沉淀质量与NaOH溶液的体积关系
Figure 5. Relationship between the mass of aluminum hydroxide and volume of sodium hydroxide solution
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图 1 Al (OH)3质量与NaOH溶液体积关系
Figure 1 Relationship between the mass of aluminum hydroxide and volume of sodium hydroxide solution
图 3 溶液pH与NaOH溶液体积的关系曲线
Figure 3 Relation curve between solution pH and volume of sodium hydroxide solution
图 4 溶液pH与NaOH溶液体积关系
Figure 4 Relation curve between solution pH and volume of sodium hydroxide solution
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