“线型”策略：科学学铝的新方法

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　　元素化合物知识作为其他化学知识的载体，在中学化学中占有举足轻重的地位。纵观近几年的高考试题，铝、氧化铝、氢氧化铝、常见的铝盐(如氯化铝、明矾等)一直是命题的热点。Al3+、Al(OH)3、AlO2-的相互转化，应用在离子分离(如Mg2+、Al3+的分离)、共存及推断中的试题屡屡出现。
　　2001 年开始高中化学教学采用了新教材。不难发现铝这一节的内容与原教材相比，有了较大幅度的调整——将其改编在平衡章节之后，要求学生用平衡的理念来分析。这势必对学生这一节的学习，提出了更高的要求。而同为金属的镁、铁的章节却做了大幅度的删减。因此，大胆假设今后几年试题仍将在Al与酸反应、Al3+与碱反应，AlO2-与酸反应的离子方程式书写以及计算、图象分析等方向作文章。
　　传统的教学方式中，往往习惯于采用“铝三角”来教学。铝三角可以表明Al3+、Al(OH)3、AlO2-之间存在一定关联，三者之间可以通过加入酸或者碱相互转化。然而关键的定量关系(Al3+与OH-相互滴加产物的讨论等)不能通过“铝三角”得以体现。因为，铝三角忽略了最为关键的一点：AlO2-是Al(OH)3在OH-过量时产生的。为了解决这一问题，笔者大胆提出“线型”学铝策略。
　　一.线型学铝概念的提出
　　“线型学铝”策略中所谓的“铝线”，其实就是由
　　H+ Al3+ Al(OH)3 AlO2- OH-
　　五个粒子所构成的一条关系线。出于H+、OH-与Al3+、Al(OH)3、AlO2-的紧密关系考虑，与“铝三角”不同，“铝线”中加入了H+、OH-这两种离子。感觉上，粒子数的增加，使问题变的更为复杂;而实际上，只是将原本转换关系中隐藏的粒子更直观、更清晰表现出来。
　　二.线型学铝概念的剖析
　　“线型学铝”基本内容可以由四句话来概括——相邻粒子不反应，相隔粒子聚中间，隔之越远越易行，所带电荷是关键。
　　(一)相邻粒子不反应——解决粒子间共存问题
　　有铝元素参加的粒子间共存问题的讨论一直是会考、高考的热点，2004年的浙江省会考试卷中就有两题(第4题、第23题)涉及这一内容。
　　例：下列物质中，既能跟NaOH溶液反应，又能跟盐酸反应的是( )
　　A.Al(OH)3 B.Na2CO3 C.NH4Cl D.CH3COONa
　　该题考查了“铝线”中的粒子的共存关系。只要明确“铝线”上相邻粒子是不反应的，不相邻粒子间可以反应，那么选答案A也就十分明确了。
　　(二)相隔粒子聚中间——用于判断反应后的产物
　　含铝化合物在溶液中发生反应，产物与反应物物质的量比例有关。因此，反应产物的讨论对于学生来说明显是一个难点。填鸭式的教学方式(例如：要求学生强记 Al3+与OH-1∶3反应产物为Al(OH)3，1∶4反应产物为AlO2-等)效果并不好。试题角度稍一改变，学生就很难将已有的知识加以应用。化学新课程标准强调让学生形成积极主动的学习态度。“线型学铝”概念的提出，可以使学生在铝元素的学习中，将研究性学习与接受性学习有机的整和在一起。“铝线”中的相邻粒子是不反应的，而相隔的粒子就可以反应生成处于两个反应粒子中间的粒子(产物水被略去)。只要学生了解这一点，就可以引导学生充分利用“铝线”，自己主动去获取结论。
　　例如根据铝线H+ Al3+ Al(OH)3 AlO2- OH-不难发现H+与Al(OH)3能反应生成Al3+，而Al(OH)3 与OH-反应生成AlO2- 等。在应用“铝线”过程中，学生可能又会产生问题：若处于两个粒子中间的粒子不是一个，而是有两个时该如何分析——这恰恰也是过量问题，互滴问题的难点所在。仔细观察，不难发现这一问题利用“铝线”还是可以得到很好解决。简单的说：A溶液中滴加B，开始A过量，产物靠近A。举个例子：盐酸中滴加偏铝酸钠溶液。反应开始时盐酸过量，产物从“铝线”分析应靠近H+，因此为Al3+，开始无沉淀。反之，若在偏铝酸钠溶液中滴加盐酸，开始偏铝酸钠溶液过量，产物从 “铝线”分析应靠近AlO2-，因此为Al(OH)3，开始就产生沉淀。
　　(三)隔之越远越易行——分析反应先后、难易问题
　　溶液中存在的阴离子或者阳离子可能有多种，加入阳离子或者阴离子可能与存在的离子都能发生反应。例如：AlCl3溶液中加入过量的NaOH后，溶液中大量存在的阴离子有AlO2- 和OH-，若向此时的溶液中加入H+，就会涉及反应先后问题。一般的教学方式，可以假设与H+先反应的是AlO2-，但产物无论是Al3+、 Al(OH)3都与存在的OH-要反应，从而推翻假设。这种教学方式较为繁琐，即使理解，记忆也不轻松。学生在理解后，可以利用“铝线” H+ Al3+ Al(OH)3 AlO2- OH-，“隔之越远越易行”方便学生记忆。H+、OH-在铝线中相隔较远，因此H+ 与OH-先反应。同理，溶液中若同时存在H+、Al3+时，若加入OH-，先反应的应为H+。
　　“隔之越远越易行”不仅指明了粒子反应的先后问题，更深层次讲，还蕴涵着粒子间反应难易问题。由H+ Al3+ Al(OH)3 AlO2- OH-可以看出，H+与OH-，相距最远，因此反应最容易。H+与AlO2-距离较远，反应中的H+可以由弱酸(如碳酸)电离提供，或者强酸弱碱盐(如、MgCl2)水解来提供。H+与Al(OH)3距离更近，与Al(OH)3则不反应，溶解Al(OH)3所需的H+浓度更大。同理，Al3+比Al(OH)3在“铝线”上离开OH-的距离远，将Al3+沉淀只需 •H2O即可以，但要使Al(OH)3溶解则一般要强碱才行。
　　(四)所带电荷是关键——讨论离子反应计量关系
　　离子方程式的书写，关键要搞清楚反应物的计量数比及产物。产物的分析可以由“铝线”解决。其实，计量数比同样可以结合“铝线”及电荷守恒，物料守恒得以解决。例如H+和 AlO2- 化学计量数1∶1反应生成电中性的 Al(OH)3 ，而要生成Al3+则为4∶1，因为Al3+带3个单位正电荷。
　　“相邻粒子不反应，相隔粒子聚中间，隔之越远越易行，所带电荷是关键”四句话是一个有机的整体，相互关联，表明了粒子之间的共存和反应的关系。参照“铝线”，联系这四句话，基本可以解决与铝元素有关的离子共存，离子方程式书写，过量计算中产物的判断等问题，甚至也可以用于铝元素有关的图象问题的讨论。
　　三.线型学铝概念中值得注意的问题
　　(一) 关于H+的讨论
　　“铝线”中的H+，并非特指强酸，也可以代表某些弱酸或者可以电离产生大量H+的物质。如：醋酸，硫酸氢钠等。(若其酸根与铝离子会强烈双水解的酸，则该酸不与Al(OH)3反应)
　　(二) 关于OH-的讨论
　　“铝线”中的OH-一般指强碱(因为高中阶段所接触的弱碱绝大多数为难溶的碱，溶度积常数很小)。值得注意的是 •H2O也能使Al3+沉淀，但不与Al(OH)3反应。氨溶解于水，主要形成水合分子 •H2O，只有一小部分(1mol•L-1氨分子中只有0.004mol)发生如下式的电离作用 NH3+H20=NH4+ + OH- K=1.8×10-5，而Al(OH)3的Ksp=2×10-33，Al3+完全沉淀(C(Al3+)≤1×10-5mol•L-1)时，pH为4.8，所以 •H2O也能使Al3+沉淀。
　　(三) AlO2-
　　AlO2-实质上只是高中化学中对Al(OH)4-的一种简写。偏铝酸盐是在强碱性溶液中生成的，偏铝酸盐溶液中加酸一般无法得到“HAlO2”，而得到白色无定形凝胶沉淀Al(OH)3。但“HAlO2”可以是结晶正 Al(OH)3在573K下，加热两小时得到的，正确的名称为偏氢氧化铝AlO(OH)。因此，我们常说的“HAlO2不存在”是不严格的。
　　(四) Al(OH)3与Al2O3
　　Al(OH)3 是Al2O3的水合物，在加热条件下失水即得到Al2O3。因此，Al2O3与Al(OH)3有许多相似的反应。与Al(OH)3能反应的酸或者碱一般与 Al2O3也可以反应，产物也类似，只是相差若干个水分子。但值得强调一点是：易溶于酸也易溶于强碱的Al(OH)3是新鲜制备的一种白色无定形凝胶，而不是结晶正Al(OH)3。同样常见的易溶于酸也易溶于强碱的Al2O3是γ-Al2O3，而自然界中存在的刚玉为α-Al2O3，晶体为六方紧密堆积构型，晶格能很大，不溶于酸或碱，耐腐蚀。工业β-Al2O3陶瓷做电解食盐水的隔膜生产烧碱。所以，并非所有的Al(OH)3、Al2O3都可以与强酸、强碱反应
　　四.线型学铝概念的实质——酸碱中和
　　我们引用J.N.Bronsted—T.M.Lowry的酸碱质子理论所定义的酸碱概念。任何能释放质子的物种叫做酸，任何能结合质子的物种叫做碱。Al3+在水中实质上以八面体水合配离子[Al(H2O)6]3+形式存在，有如下平衡 [Al(H2O)6]3++H2O [Al(H2O)5OH]2++H3O+，因此，Al3+可以认为是酸。而AlO2-(即Al(OH)4-)可以结合质子(即H+)，因此可以认为是碱。根据上述的理论，“铝线”上粒子所能发生的反应都可以归纳为酸碱中和。
　　五.线型学铝概念的衍生
　　(一) 类似于Al(OH)3的两性氢氧化物——Be(OH)2、Zn(OH)2
　　铝和铍在元素周期表中处于对角线位置，两者的离子势接近，所以它们有许多相似的化学性质，两者的氢氧化物都属两性。所以铍存在“铍线”
　　H+ Be2+ Be(OH)2 BeO22- OH-
　　同理，锌元素存在“锌线”H+ Zn2+ Zn(OH)2 ZnO22- OH-。
　　(二) 二元及以上弱酸
　　弱酸的酸式盐在强酸性或强碱性中一般都不能稳定存在。所以，以酸式根为中心，左边为弱酸，右边为酸根，构成了弱酸的“酸线”，如
　　H+ H2CO3 HCO3- CO32- OH-，若同样以J.N.Bronsted—T.M.Lowry的酸碱质子理论来定义酸碱，各粒子的反应，还是可以归结为酸碱中和。粒子间的反应同样可以由“相邻粒子不反应，相隔粒子聚中间，隔之越远越易行，所带电荷是关键”四句话来概括。高一碱金属章节中的Na2CO3与HCl反应产物的判断，高三教材中的酸式盐与碱的离子方程式的书写等都可以用上述线型策略去讨论。
　　例如(04浙江省会考)下列各组离子在溶液中能大量共存的是(B)
　　A.Na+、H+、CO32-、Cl- B.H+、K+、Cl-、NO3-
　　C.Na+、Al3+、OH-、Cl- D.NH4+、H+、OH-、NO3-
　　类似的还有H+ H2SO3 HSO3- SO32- OH-
　　H+ H2S HS- S2- OH-
　　H+ H3PO4 H2PO4- HPO42- PO43- OH-
　　H2SO4同样为二元酸，HSO4-的电离其实并不完全，严格来说H2SO4也应存在类似的线型关系，只是在高中阶段暂不讨论。
　　“线型”学铝概念的提出，不仅克服了“铝三角”学习中三者定量关系模糊不清这一缺点，使铝元素的学习变的轻松，便于理解。同时，“线型”概念的衍生，也使得两性物质的学习更简单。二元及二元以上的酸、酸根、酸式根与碱或酸的反应也都可以由类似的“线型”概念去思考。