“線(xiàn)型”策略：科學(xué)學(xué)鋁的新方法

　　元素化合物知識作為其他化學(xué)知識的載體，在中學(xué)化學(xué)中占有舉足輕重的地位�？v觀(guān)近幾年的高考試題，鋁、氧化鋁、氫氧化鋁、常見(jiàn)的鋁鹽(如氯化鋁、明礬等)一直是命題的熱點(diǎn)。Al3+、Al(OH)3、AlO2-的相互轉化，應用在離子分離(如Mg2+、Al3+的分離)、共存及推斷中的試題屢屢出現。

　　2001 年開(kāi)始高中化學(xué)教學(xué)采用了新教材。不難發(fā)現鋁這一節的內容與原教材相比，有了較大幅度的調整——將其改編在平衡章節之后，要求學(xué)生用平衡的理念來(lái)分析。這勢必對學(xué)生這一節的學(xué)習，提出了更高的要求。而同為金屬的鎂、鐵的章節卻做了大幅度的刪減。因此，大膽假設今后幾年試題仍將在A(yíng)l與酸反應、Al3+與堿反應，AlO2-與酸反應的離子方程式書(shū)寫(xiě)以及計算、圖象分析等方向作文章。

　　傳統的教學(xué)方式中，往往習慣于采用“鋁三角”來(lái)教學(xué)。鋁三角可以表明Al3+、Al(OH)3、AlO2-之間存在一定關(guān)聯(lián)，三者之間可以通過(guò)加入酸或者堿相互轉化。然而關(guān)鍵的定量關(guān)系(Al3+與OH-相互滴加產(chǎn)物的討論等)不能通過(guò)“鋁三角”得以體現。因為，鋁三角忽略了最為關(guān)鍵的一點(diǎn)：AlO2-是Al(OH)3在OH-過(guò)量時(shí)產(chǎn)生的。為了解決這一問(wèn)題，筆者大膽提出“線(xiàn)型”學(xué)鋁策略。

　　一.線(xiàn)型學(xué)鋁概念的提出

　　“線(xiàn)型學(xué)鋁”策略中所謂的“鋁線(xiàn)”，其實(shí)就是由

　　H+ Al3+ Al(OH)3 AlO2- OH-

　　五個(gè)粒子所構成的一條關(guān)系線(xiàn)。出于H+、OH-與Al3+、Al(OH)3、AlO2-的緊密關(guān)系考慮，與“鋁三角”不同，“鋁線(xiàn)”中加入了H+、OH-這兩種離子。感覺(jué)上，粒子數的增加，使問(wèn)題變的更為復雜;而實(shí)際上，只是將原本轉換關(guān)系中隱藏的粒子更直觀(guān)、更清晰表現出來(lái)。

　　二.線(xiàn)型學(xué)鋁概念的剖析

　　“線(xiàn)型學(xué)鋁”基本內容可以由四句話(huà)來(lái)概括——相鄰粒子不反應，相隔粒子聚中間，隔之越遠越易行，所帶電荷是關(guān)鍵。

　　(一)相鄰粒子不反應——解決粒子間共存問(wèn)題

　　有鋁元素參加的粒子間共存問(wèn)題的討論一直是會(huì )考、高考的熱點(diǎn)，2004年的浙江省會(huì )考試卷中就有兩題(第4題、第23題)涉及這一內容。

　　例：下列物質(zhì)中，既能跟NaOH溶液反應，又能跟鹽酸反應的是( )

　　A.Al(OH)3 B.Na2CO3 C.NH4Cl D.CH3COONa

　　該題考查了“鋁線(xiàn)”中的粒子的共存關(guān)系。只要明確“鋁線(xiàn)”上相鄰粒子是不反應的，不相鄰粒子間可以反應，那么選答案A也就十分明確了。

　　(二)相隔粒子聚中間——用于判斷反應后的產(chǎn)物

　　含鋁化合物在溶液中發(fā)生反應，產(chǎn)物與反應物物質(zhì)的量比例有關(guān)。因此，反應產(chǎn)物的討論對于學(xué)生來(lái)說(shuō)明顯是一個(gè)難點(diǎn)。填鴨式的教學(xué)方式(例如：要求學(xué)生強記 Al3+與OH-1∶3反應產(chǎn)物為Al(OH)3，1∶4反應產(chǎn)物為AlO2-等)效果并不好。試題角度稍一改變，學(xué)生就很難將已有的知識加以應用�；瘜W(xué)新課程標準強調讓學(xué)生形成積極主動(dòng)的學(xué)習態(tài)度。“線(xiàn)型學(xué)鋁”概念的提出，可以使學(xué)生在鋁元素的學(xué)習中，將研究性學(xué)習與接受性學(xué)習有機的整和在一起。“鋁線(xiàn)”中的相鄰粒子是不反應的，而相隔的粒子就可以反應生成處于兩個(gè)反應粒子中間的粒子(產(chǎn)物水被略去)。只要學(xué)生了解這一點(diǎn)，就可以引導學(xué)生充分利用“鋁線(xiàn)”，自己主動(dòng)去獲取結論。

　　例如根據鋁線(xiàn)H+ Al3+ Al(OH)3 AlO2- OH-不難發(fā)現H+與Al(OH)3能反應生成Al3+，而Al(OH)3 與OH-反應生成AlO2- 等。在應用“鋁線(xiàn)”過(guò)程中，學(xué)生可能又會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題：若處于兩個(gè)粒子中間的粒子不是一個(gè)，而是有兩個(gè)時(shí)該如何分析——這恰恰也是過(guò)量問(wèn)題，互滴問(wèn)題的難點(diǎn)所在。仔細觀(guān)察，不難發(fā)現這一問(wèn)題利用“鋁線(xiàn)”還是可以得到很好解決。簡(jiǎn)單的說(shuō)：A溶液中滴加B，開(kāi)始A過(guò)量，產(chǎn)物靠近A。舉個(gè)例子：鹽酸中滴加偏鋁酸鈉溶液。反應開(kāi)始時(shí)鹽酸過(guò)量，產(chǎn)物從“鋁線(xiàn)”分析應靠近H+，因此為Al3+，開(kāi)始無(wú)沉淀。反之，若在偏鋁酸鈉溶液中滴加鹽酸，開(kāi)始偏鋁酸鈉溶液過(guò)量，產(chǎn)物從 “鋁線(xiàn)”分析應靠近AlO2-，因此為Al(OH)3，開(kāi)始就產(chǎn)生沉淀。

　　(三)隔之越遠越易行——分析反應先后、難易問(wèn)題

　　溶液中存在的陰離子或者陽(yáng)離子可能有多種，加入陽(yáng)離子或者陰離子可能與存在的離子都能發(fā)生反應。例如：AlCl3溶液中加入過(guò)量的NaOH后，溶液中大量存在的陰離子有AlO2- 和OH-，若向此時(shí)的溶液中加入H+，就會(huì )涉及反應先后問(wèn)題。一般的教學(xué)方式，可以假設與H+先反應的是AlO2-，但產(chǎn)物無(wú)論是Al3+、 Al(OH)3都與存在的OH-要反應，從而推翻假設。這種教學(xué)方式較為繁瑣，即使理解，記憶也不輕松。學(xué)生在理解后，可以利用“鋁線(xiàn)” H+ Al3+ Al(OH)3 AlO2- OH-，“隔之越遠越易行”方便學(xué)生記憶。H+、OH-在鋁線(xiàn)中相隔較遠，因此H+ 與OH-先反應。同理，溶液中若同時(shí)存在H+、Al3+時(shí)，若加入OH-，先反應的應為H+。

　　“隔之越遠越易行”不僅指明了粒子反應的先后問(wèn)題，更深層次講，還蘊涵著(zhù)粒子間反應難易問(wèn)題。由H+ Al3+ Al(OH)3 AlO2- OH-可以看出，H+與OH-，相距最遠，因此反應最容易。H+與AlO2-距離較遠，反應中的H+可以由弱酸(如碳酸)電離提供，或者強酸弱堿鹽(如、MgCl2)水解來(lái)提供。H+與Al(OH)3距離更近，與Al(OH)3則不反應，溶解Al(OH)3所需的H+濃度更大。同理，Al3+比Al(OH)3在“鋁線(xiàn)”上離開(kāi)OH-的距離遠，將Al3+沉淀只需 •H2O即可以，但要使Al(OH)3溶解則一般要強堿才行。

　　(四)所帶電荷是關(guān)鍵——討論離子反應計量關(guān)系

　　離子方程式的書(shū)寫(xiě)，關(guān)鍵要搞清楚反應物的計量數比及產(chǎn)物。產(chǎn)物的分析可以由“鋁線(xiàn)”解決。其實(shí)，計量數比同樣可以結合“鋁線(xiàn)”及電荷守恒，物料守恒得以解決。例如H+和 AlO2- 化學(xué)計量數1∶1反應生成電中性的 Al(OH)3 ，而要生成Al3+則為4∶1，因為Al3+帶3個(gè)單位正電荷。

　　“相鄰粒子不反應，相隔粒子聚中間，隔之越遠越易行，所帶電荷是關(guān)鍵”四句話(huà)是一個(gè)有機的整體，相互關(guān)聯(lián)，表明了粒子之間的共存和反應的關(guān)系。參照“鋁線(xiàn)”，聯(lián)系這四句話(huà)，基本可以解決與鋁元素有關(guān)的離子共存，離子方程式書(shū)寫(xiě)，過(guò)量計算中產(chǎn)物的判斷等問(wèn)題，甚至也可以用于鋁元素有關(guān)的圖象問(wèn)題的討論。

　　三.線(xiàn)型學(xué)鋁概念中值得注意的問(wèn)題

　　(一) 關(guān)于H+的討論

　　“鋁線(xiàn)”中的H+，并非特指強酸，也可以代表某些弱酸或者可以電離產(chǎn)生大量H+的物質(zhì)。如：醋酸，硫酸氫鈉等。(若其酸根與鋁離子會(huì )強烈雙水解的酸，則該酸不與Al(OH)3反應)

　　(二) 關(guān)于OH-的討論

　　“鋁線(xiàn)”中的OH-一般指強堿(因為高中階段所接觸的弱堿絕大多數為難溶的堿，溶度積常數很小)。值得注意的是 •H2O也能使Al3+沉淀，但不與Al(OH)3反應。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)發(fā)生如下式的電離作用 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)時(shí)，pH為4.8，所以 •H2O也能使Al3+沉淀。

　　(三) AlO2-

　　AlO2-實(shí)質(zhì)上只是高中化學(xué)中對Al(OH)4-的一種簡(jiǎn)寫(xiě)。偏鋁酸鹽是在強堿性溶液中生成的，偏鋁酸鹽溶液中加酸一般無(wú)法得到“HAlO2”，而得到白色無(wú)定形凝膠沉淀Al(OH)3。但“HAlO2”可以是結晶正 Al(OH)3在573K下，加熱兩小時(shí)得到的，正確的名稱(chēng)為偏氫氧化鋁AlO(OH)。因此，我們常說(shuō)的“HAlO2不存在”是不嚴格的。

　　(四) Al(OH)3與Al2O3

　　Al(OH)3 是Al2O3的水合物，在加熱條件下失水即得到Al2O3。因此，Al2O3與Al(OH)3有許多相似的反應。與Al(OH)3能反應的酸或者堿一般與 Al2O3也可以反應，產(chǎn)物也類(lèi)似，只是相差若干個(gè)水分子。但值得強調一點(diǎn)是：易溶于酸也易溶于強堿的Al(OH)3是新鮮制備的一種白色無(wú)定形凝膠，而不是結晶正Al(OH)3。同樣常見(jiàn)的易溶于酸也易溶于強堿的Al2O3是γ-Al2O3，而自然界中存在的剛玉為α-Al2O3，晶體為六方緊密堆積構型，晶格能很大，不溶于酸或堿，耐腐蝕。工業(yè)β-Al2O3陶瓷做電解食鹽水的隔膜生產(chǎn)燒堿。所以，并非所有的Al(OH)3、Al2O3都可以與強酸、強堿反應

　　四.線(xiàn)型學(xué)鋁概念的實(shí)質(zhì)——酸堿中和

　　我們引用J.N.Bronsted—T.M.Lowry的酸堿質(zhì)子理論所定義的酸堿概念。任何能釋放質(zhì)子的物種叫做酸，任何能結合質(zhì)子的物種叫做堿。Al3+在水中實(shí)質(zhì)上以八面體水合配離子[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+可以認為是酸。而AlO2-(即Al(OH)4-)可以結合質(zhì)子(即H+)，因此可以認為是堿。根據上述的理論，“鋁線(xiàn)”上粒子所能發(fā)生的反應都可以歸納為酸堿中和。

　　五.線(xiàn)型學(xué)鋁概念的衍生

　　(一) 類(lèi)似于A(yíng)l(OH)3的兩性氫氧化物——Be(OH)2、Zn(OH)2

　　鋁和鈹在元素周期表中處于對角線(xiàn)位置，兩者的離子勢接近，所以它們有許多相似的化學(xué)性質(zhì)，兩者的氫氧化物都屬兩性。所以鈹存在“鈹線(xiàn)”

　　H+ Be2+ Be(OH)2 BeO22- OH-

　　同理，鋅元素存在“鋅線(xiàn)”H+ Zn2+ Zn(OH)2 ZnO22- OH-。

　　(二) 二元及以上弱酸

　　弱酸的酸式鹽在強酸性或強堿性中一般都不能穩定存在。所以，以酸式根為中心，左邊為弱酸，右邊為酸根，構成了弱酸的“酸線(xiàn)”，如

　　H+ H2CO3 HCO3- CO32- OH-，若同樣以J.N.Bronsted—T.M.Lowry的酸堿質(zhì)子理論來(lái)定義酸堿，各粒子的反應，還是可以歸結為酸堿中和。粒子間的反應同樣可以由“相鄰粒子不反應，相隔粒子聚中間，隔之越遠越易行，所帶電荷是關(guān)鍵”四句話(huà)來(lái)概括。高一堿金屬章節中的Na2CO3與HCl反應產(chǎn)物的判斷，高三教材中的酸式鹽與堿的離子方程式的書(shū)寫(xiě)等都可以用上述線(xiàn)型策略去討論。

　　例如(04浙江省會(huì )考)下列各組離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-

　　類(lèi)似的還有H+ H2SO3 HSO3- SO32- OH-

　　H+ H2S HS- S2- OH-

　　H+ H3PO4 H2PO4- HPO42- PO43- OH-

　　H2SO4同樣為二元酸，HSO4-的電離其實(shí)并不完全，嚴格來(lái)說(shuō)H2SO4也應存在類(lèi)似的線(xiàn)型關(guān)系，只是在高中階段暫不討論。

　　“線(xiàn)型”學(xué)鋁概念的提出，不僅克服了“鋁三角”學(xué)習中三者定量關(guān)系模糊不清這一缺點(diǎn)，使鋁元素的學(xué)習變的輕松，便于理解。同時(shí)，“線(xiàn)型”概念的衍生，也使得兩性物質(zhì)的學(xué)習更簡(jiǎn)單。二元及二元以上的酸、酸根、酸式根與堿或酸的反應也都可以由類(lèi)似的“線(xiàn)型”概念去思考。