对氢氧化铝溶于酸和碱的定量分析
2014-05-28 10:02李晓明
化学教与学 2014年5期
李晓明
摘要：针对氢氧化铝不溶于弱酸和弱碱的说法进行了理论分析，得出氢氧化铝是否溶于酸和碱并不是取决于酸碱性的强弱，而是取决于溶液的pH的结论，并就常见的弱酸与弱碱能否溶解氢氧化铝进行了分析。
关键词：氢氧化铝；溶解；酸；碱；溶液的pH
文章编号：1008-0546（2014）05-0057-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.05.020
一、问题的提出
在实验室制取Al（OH）3时，通常在可溶性的铝盐中滴加氨水；在工业上冶炼铝的过程中制取Al（OH）3，是在偏铝酸钠溶液中通入过量的CO2。教师在向学生解释为什么使用氨水和CO2来制取Al（OH）3时，通常是说Al（OH）3只能溶于强酸和强碱而不溶于弱酸和弱碱。这样的认识是否科学严谨。为此，特作以下理论分析。
二、溶液中铝各形态与溶液pH的关系
1. Al（OH）3开始沉淀时溶液的pH
Al（OH）3■Al3++3OH-
Ksp[Al（OH）3]=1.3×10-33
根据溶度积常数的定义，可得出Al（OH）3开始沉淀时溶液中OH-浓度与溶液中Al3+初始浓度的计算公式：
[OH-]=■（1）
将不同浓度的Al3+带入（1）式，可计算出 Al（OH）3开始沉淀时溶液中OH-浓度及溶液的pH。计算结果如表1所示：
2. Al（OH）3沉淀完全时溶液的pH
根据分析化学，当溶液中某离子的残留浓度小于或等于10-5mol·L-1时，可以认为沉淀完全。将10-5mol·L-1带入（1）式，计算结果如表2所示：
3. Al（OH）3沉淀开始溶解和完全溶解时溶液的pH
Al3++4OH-■Al（OH）■■ K1=1.3×1033
Al（OH）3+OH-■Al（OH）■■
K2=■ =K1×KSP[Al（OH）3]=1.3×1033×1.3×10-33=1.69
当Al（OH）3溶解后，溶液中的OH-浓度可以表示如下：
[OH-]=■（2）
当溶液中 c[Al（OH）■■]=1.0×10-5mol·L-1时，认为Al（OH）3开始溶解；当溶液中铝元素几乎全部以Al（OH）■■形式存在时，可以认为Al（OH）3已经溶解完全。此时溶液中c[Al（OH）■■]和Al3+的起始浓度相等。根据（2）式，计算结果如表3所示：
4. Al（OH）3的s-pH图
当Al3+的初始浓度分别为1.0mol·L-1、0.1mol·L-1和0.010mol·L-1时，以铝各形态的浓度（以Al3+记）的对数（lgc）为纵坐标，以对应的pH为横坐标作图可得 Al（OH）3的s-pH。如图1所示。
由Al（OH）3的s-pH图可知，Al（OH）3的溶解性随溶液pH的增大而减小。当溶液的pH过大时，Al（OH）3的溶解性又随溶液pH的增大而增大。左端直线上的任一点为Al（OH）3的沉淀溶解平衡状态，而右端直线上的任一点则表示Al（OH）3+OH-■Al（OH）■■ 的平衡状态。铝离子的初始浓度不同的情况下，使Al（OH）3发生溶解的pH均相同（分别为4.3和8.8）。当铝离子的初始浓度不同时，使Al（OH）3完全溶解所需要的pH也不同；铝离子浓度越大，使Al（OH）3完全溶解为Al3+所需的pH越小，完全溶解为[Al（OH）■■]所需的pH越大。在c（Al3+）=0.1mol·L-1的溶液中，Al（OH）3开始沉淀的pH为3.4；当pH为4.3时，Al（OH）3沉淀完全；当pH为8.8时，Al（OH）3又开始溶解；当pH=12.8时，Al（OH）3完全溶解为Al（OH）■■。所以当pH小于3.4时，溶液中存在的是 Al3+；pH=4.3～8.8为Al（OH）3存在范围；pH>12.8时，溶液中铝以Al（OH）■■形式存在。
三、 Al（OH）3能否溶于弱酸、弱碱的理论分析
c（Al3+）=0.1mol·L-1 时，常温、常压下饱和二氧化碳溶液的浓度为0.033mol·L-1，H2CO3的Ka1=4.5×10-7，
c（H+）=■=1.22×10-4mol·L-1 pH=3.9<4.3，所以可以使 Al（OH）3溶解，但由于pH大于3.4所以只能是部分溶解。而在1mol·L-1的醋酸中（Ka=1.8×10-5）中c（H+）=■=4.2×10-3mol·L-1 pH=2.4<3.4，所以1mol·L-1醋酸是可以将 Al（OH）3溶解的。
市售氨水（Kb=1.8×10-5）的浓度为15mol·L-1，其中c（OH-）=■=1.6×10-2mol·L-1 pOH=1.8 pH=12.2>8.8，所以浓氨水是可以将Al （OH）3溶解的，但又由于浓氨水的pH<12.8，所以并不能使其溶解完全。由（2）式可以求出每升溶液中溶解的Al（OH）3的质量：[Al（OH）-4]=[OH-]×K2=1.6×10-2×1.69=0.027mol·L-1 ，即每升溶液中可以溶解0.027mol的Al （OH）3，质量为0.027mol×78g·L-1=2.1g 。溶解度约为0.21g属于微溶的范围。
实验室中用氨水和铝盐反应制备Al （OH）3时，所选用的铝盐的浓度一般较大，氨水的选用也不会用15mol·L-1的浓氨水，如苏教版《化学1》（2009年6月第5版）中是在2mol·L-1AlCl3中，逐滴滴加6mol·L-1的氨水。同时，又由于并没有将生成的Al（OH）3分离出来，再继续滴加氨水时，由于同离子（NH+4）效应，抑制了氨水的电离，会使c（OH-）降低，就会使溶解的Al（OH）3的量更少。所以用氨水和铝盐反应仍然是非常成功的制备Al（OH）3方法。
在工业上通常将在过量的CO2通入偏铝酸钠溶液的目的之一就是使溶液中的溶质主要为碱性较弱的NaHCO3而不是碱性较强的Na2CO3，以减少Al（OH）3的溶解损失。
由以上分析可知，Al（OH）3能否溶解取决于溶液的pH，而不应从酸碱的强弱去判断，如果弱酸或强碱能够达到Al（OH）3溶解的pH，也可使其溶解。如果强酸和强碱的浓度很小，也会达不到溶解Al（OH）3所需的pH。在中学阶段我们教师要多从定量的角度去理解知识，而少下绝对化的、简单的、定性化的结论。
参考文献
[1] 戴建良，王海富.一道有关氢氧化铝的习题的深度剖析[J]. 化学教学，2012，（2）
[2] 张向宇. 实用化学手册[M]. 北京：国防工业出版社，2011：629
[3] 唐宗薰. 无机化学热力学[M]：科学出版社，2010：107～108
[4] 林凯. 漫谈氢氧化铝的两性[J]. 化学教学，2005，（10）：61endprint
摘要：针对氢氧化铝不溶于弱酸和弱碱的说法进行了理论分析，得出氢氧化铝是否溶于酸和碱并不是取决于酸碱性的强弱，而是取决于溶液的pH的结论，并就常见的弱酸与弱碱能否溶解氢氧化铝进行了分析。
关键词：氢氧化铝；溶解；酸；碱；溶液的pH
文章编号：1008-0546（2014）05-0057-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.05.020
一、问题的提出
在实验室制取Al（OH）3时，通常在可溶性的铝盐中滴加氨水；在工业上冶炼铝的过程中制取Al（OH）3，是在偏铝酸钠溶液中通入过量的CO2。教师在向学生解释为什么使用氨水和CO2来制取Al（OH）3时，通常是说Al（OH）3只能溶于强酸和强碱而不溶于弱酸和弱碱。这样的认识是否科学严谨。为此，特作以下理论分析。
二、溶液中铝各形态与溶液pH的关系
1. Al（OH）3开始沉淀时溶液的pH
Al（OH）3■Al3++3OH-
Ksp[Al（OH）3]=1.3×10-33
根据溶度积常数的定义，可得出Al（OH）3开始沉淀时溶液中OH-浓度与溶液中Al3+初始浓度的计算公式：
[OH-]=■（1）
将不同浓度的Al3+带入（1）式，可计算出 Al（OH）3开始沉淀时溶液中OH-浓度及溶液的pH。计算结果如表1所示：
2. Al（OH）3沉淀完全时溶液的pH
根据分析化学，当溶液中某离子的残留浓度小于或等于10-5mol·L-1时，可以认为沉淀完全。将10-5mol·L-1带入（1）式，计算结果如表2所示：
3. Al（OH）3沉淀开始溶解和完全溶解时溶液的pH
Al3++4OH-■Al（OH）■■ K1=1.3×1033
Al（OH）3+OH-■Al（OH）■■
K2=■ =K1×KSP[Al（OH）3]=1.3×1033×1.3×10-33=1.69
当Al（OH）3溶解后，溶液中的OH-浓度可以表示如下：
[OH-]=■（2）
当溶液中 c[Al（OH）■■]=1.0×10-5mol·L-1时，认为Al（OH）3开始溶解；当溶液中铝元素几乎全部以Al（OH）■■形式存在时，可以认为Al（OH）3已经溶解完全。此时溶液中c[Al（OH）■■]和Al3+的起始浓度相等。根据（2）式，计算结果如表3所示：
4. Al（OH）3的s-pH图
当Al3+的初始浓度分别为1.0mol·L-1、0.1mol·L-1和0.010mol·L-1时，以铝各形态的浓度（以Al3+记）的对数（lgc）为纵坐标，以对应的pH为横坐标作图可得 Al（OH）3的s-pH。如图1所示。
由Al（OH）3的s-pH图可知，Al（OH）3的溶解性随溶液pH的增大而减小。当溶液的pH过大时，Al（OH）3的溶解性又随溶液pH的增大而增大。左端直线上的任一点为Al（OH）3的沉淀溶解平衡状态，而右端直线上的任一点则表示Al（OH）3+OH-■Al（OH）■■ 的平衡状态。铝离子的初始浓度不同的情况下，使Al（OH）3发生溶解的pH均相同（分别为4.3和8.8）。当铝离子的初始浓度不同时，使Al（OH）3完全溶解所需要的pH也不同；铝离子浓度越大，使Al（OH）3完全溶解为Al3+所需的pH越小，完全溶解为[Al（OH）■■]所需的pH越大。在c（Al3+）=0.1mol·L-1的溶液中，Al（OH）3开始沉淀的pH为3.4；当pH为4.3时，Al（OH）3沉淀完全；当pH为8.8时，Al（OH）3又开始溶解；当pH=12.8时，Al（OH）3完全溶解为Al（OH）■■。所以当pH小于3.4时，溶液中存在的是 Al3+；pH=4.3～8.8为Al（OH）3存在范围；pH>12.8时，溶液中铝以Al（OH）■■形式存在。
三、 Al（OH）3能否溶于弱酸、弱碱的理论分析
c（Al3+）=0.1mol·L-1 时，常温、常压下饱和二氧化碳溶液的浓度为0.033mol·L-1，H2CO3的Ka1=4.5×10-7，
c（H+）=■=1.22×10-4mol·L-1 pH=3.9<4.3，所以可以使 Al（OH）3溶解，但由于pH大于3.4所以只能是部分溶解。而在1mol·L-1的醋酸中（Ka=1.8×10-5）中c（H+）=■=4.2×10-3mol·L-1 pH=2.4<3.4，所以1mol·L-1醋酸是可以将 Al（OH）3溶解的。
市售氨水（Kb=1.8×10-5）的浓度为15mol·L-1，其中c（OH-）=■=1.6×10-2mol·L-1 pOH=1.8 pH=12.2>8.8，所以浓氨水是可以将Al （OH）3溶解的，但又由于浓氨水的pH<12.8，所以并不能使其溶解完全。由（2）式可以求出每升溶液中溶解的Al（OH）3的质量：[Al（OH）-4]=[OH-]×K2=1.6×10-2×1.69=0.027mol·L-1 ，即每升溶液中可以溶解0.027mol的Al （OH）3，质量为0.027mol×78g·L-1=2.1g 。溶解度约为0.21g属于微溶的范围。
实验室中用氨水和铝盐反应制备Al （OH）3时，所选用的铝盐的浓度一般较大，氨水的选用也不会用15mol·L-1的浓氨水，如苏教版《化学1》（2009年6月第5版）中是在2mol·L-1AlCl3中，逐滴滴加6mol·L-1的氨水。同时，又由于并没有将生成的Al（OH）3分离出来，再继续滴加氨水时，由于同离子（NH+4）效应，抑制了氨水的电离，会使c（OH-）降低，就会使溶解的Al（OH）3的量更少。所以用氨水和铝盐反应仍然是非常成功的制备Al（OH）3方法。
在工业上通常将在过量的CO2通入偏铝酸钠溶液的目的之一就是使溶液中的溶质主要为碱性较弱的NaHCO3而不是碱性较强的Na2CO3，以减少Al（OH）3的溶解损失。
由以上分析可知，Al（OH）3能否溶解取决于溶液的pH，而不应从酸碱的强弱去判断，如果弱酸或强碱能够达到Al（OH）3溶解的pH，也可使其溶解。如果强酸和强碱的浓度很小，也会达不到溶解Al（OH）3所需的pH。在中学阶段我们教师要多从定量的角度去理解知识，而少下绝对化的、简单的、定性化的结论。
参考文献
[1] 戴建良，王海富.一道有关氢氧化铝的习题的深度剖析[J]. 化学教学，2012，（2）
[2] 张向宇. 实用化学手册[M]. 北京：国防工业出版社，2011：629
[3] 唐宗薰. 无机化学热力学[M]：科学出版社，2010：107～108
[4] 林凯. 漫谈氢氧化铝的两性[J]. 化学教学，2005，（10）：61endprint
摘要：针对氢氧化铝不溶于弱酸和弱碱的说法进行了理论分析，得出氢氧化铝是否溶于酸和碱并不是取决于酸碱性的强弱，而是取决于溶液的pH的结论，并就常见的弱酸与弱碱能否溶解氢氧化铝进行了分析。
关键词：氢氧化铝；溶解；酸；碱；溶液的pH
文章编号：1008-0546（2014）05-0057-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.05.020
一、问题的提出
在实验室制取Al（OH）3时，通常在可溶性的铝盐中滴加氨水；在工业上冶炼铝的过程中制取Al（OH）3，是在偏铝酸钠溶液中通入过量的CO2。教师在向学生解释为什么使用氨水和CO2来制取Al（OH）3时，通常是说Al（OH）3只能溶于强酸和强碱而不溶于弱酸和弱碱。这样的认识是否科学严谨。为此，特作以下理论分析。
二、溶液中铝各形态与溶液pH的关系
1. Al（OH）3开始沉淀时溶液的pH
Al（OH）3■Al3++3OH-
Ksp[Al（OH）3]=1.3×10-33
根据溶度积常数的定义，可得出Al（OH）3开始沉淀时溶液中OH-浓度与溶液中Al3+初始浓度的计算公式：
[OH-]=■（1）
将不同浓度的Al3+带入（1）式，可计算出 Al（OH）3开始沉淀时溶液中OH-浓度及溶液的pH。计算结果如表1所示：
2. Al（OH）3沉淀完全时溶液的pH
根据分析化学，当溶液中某离子的残留浓度小于或等于10-5mol·L-1时，可以认为沉淀完全。将10-5mol·L-1带入（1）式，计算结果如表2所示：
3. Al（OH）3沉淀开始溶解和完全溶解时溶液的pH
Al3++4OH-■Al（OH）■■ K1=1.3×1033
Al（OH）3+OH-■Al（OH）■■
K2=■ =K1×KSP[Al（OH）3]=1.3×1033×1.3×10-33=1.69
当Al（OH）3溶解后，溶液中的OH-浓度可以表示如下：
[OH-]=■（2）
当溶液中 c[Al（OH）■■]=1.0×10-5mol·L-1时，认为Al（OH）3开始溶解；当溶液中铝元素几乎全部以Al（OH）■■形式存在时，可以认为Al（OH）3已经溶解完全。此时溶液中c[Al（OH）■■]和Al3+的起始浓度相等。根据（2）式，计算结果如表3所示：
4. Al（OH）3的s-pH图
当Al3+的初始浓度分别为1.0mol·L-1、0.1mol·L-1和0.010mol·L-1时，以铝各形态的浓度（以Al3+记）的对数（lgc）为纵坐标，以对应的pH为横坐标作图可得 Al（OH）3的s-pH。如图1所示。
由Al（OH）3的s-pH图可知，Al（OH）3的溶解性随溶液pH的增大而减小。当溶液的pH过大时，Al（OH）3的溶解性又随溶液pH的增大而增大。左端直线上的任一点为Al（OH）3的沉淀溶解平衡状态，而右端直线上的任一点则表示Al（OH）3+OH-■Al（OH）■■ 的平衡状态。铝离子的初始浓度不同的情况下，使Al（OH）3发生溶解的pH均相同（分别为4.3和8.8）。当铝离子的初始浓度不同时，使Al（OH）3完全溶解所需要的pH也不同；铝离子浓度越大，使Al（OH）3完全溶解为Al3+所需的pH越小，完全溶解为[Al（OH）■■]所需的pH越大。在c（Al3+）=0.1mol·L-1的溶液中，Al（OH）3开始沉淀的pH为3.4；当pH为4.3时，Al（OH）3沉淀完全；当pH为8.8时，Al（OH）3又开始溶解；当pH=12.8时，Al（OH）3完全溶解为Al（OH）■■。所以当pH小于3.4时，溶液中存在的是 Al3+；pH=4.3～8.8为Al（OH）3存在范围；pH>12.8时，溶液中铝以Al（OH）■■形式存在。
三、 Al（OH）3能否溶于弱酸、弱碱的理论分析
c（Al3+）=0.1mol·L-1 时，常温、常压下饱和二氧化碳溶液的浓度为0.033mol·L-1，H2CO3的Ka1=4.5×10-7，
c（H+）=■=1.22×10-4mol·L-1 pH=3.9<4.3，所以可以使 Al（OH）3溶解，但由于pH大于3.4所以只能是部分溶解。而在1mol·L-1的醋酸中（Ka=1.8×10-5）中c（H+）=■=4.2×10-3mol·L-1 pH=2.4<3.4，所以1mol·L-1醋酸是可以将 Al（OH）3溶解的。
市售氨水（Kb=1.8×10-5）的浓度为15mol·L-1，其中c（OH-）=■=1.6×10-2mol·L-1 pOH=1.8 pH=12.2>8.8，所以浓氨水是可以将Al （OH）3溶解的，但又由于浓氨水的pH<12.8，所以并不能使其溶解完全。由（2）式可以求出每升溶液中溶解的Al（OH）3的质量：[Al（OH）-4]=[OH-]×K2=1.6×10-2×1.69=0.027mol·L-1 ，即每升溶液中可以溶解0.027mol的Al （OH）3，质量为0.027mol×78g·L-1=2.1g 。溶解度约为0.21g属于微溶的范围。
实验室中用氨水和铝盐反应制备Al （OH）3时，所选用的铝盐的浓度一般较大，氨水的选用也不会用15mol·L-1的浓氨水，如苏教版《化学1》（2009年6月第5版）中是在2mol·L-1AlCl3中，逐滴滴加6mol·L-1的氨水。同时，又由于并没有将生成的Al（OH）3分离出来，再继续滴加氨水时，由于同离子（NH+4）效应，抑制了氨水的电离，会使c（OH-）降低，就会使溶解的Al（OH）3的量更少。所以用氨水和铝盐反应仍然是非常成功的制备Al（OH）3方法。
在工业上通常将在过量的CO2通入偏铝酸钠溶液的目的之一就是使溶液中的溶质主要为碱性较弱的NaHCO3而不是碱性较强的Na2CO3，以减少Al（OH）3的溶解损失。
由以上分析可知，Al（OH）3能否溶解取决于溶液的pH，而不应从酸碱的强弱去判断，如果弱酸或强碱能够达到Al（OH）3溶解的pH，也可使其溶解。如果强酸和强碱的浓度很小，也会达不到溶解Al（OH）3所需的pH。在中学阶段我们教师要多从定量的角度去理解知识，而少下绝对化的、简单的、定性化的结论。
参考文献
[1] 戴建良，王海富.一道有关氢氧化铝的习题的深度剖析[J]. 化学教学，2012，（2）
[2] 张向宇. 实用化学手册[M]. 北京：国防工业出版社，2011：629
[3] 唐宗薰. 无机化学热力学[M]：科学出版社，2010：107～108
[4] 林凯. 漫谈氢氧化铝的两性[J]. 化学教学，2005，（10）：61endprint
