铝与酸.碱反应有关规律的讨论及应用

　　高三复习《铝及其化合物》时，常常会遇到“等量的铝分别与含相等物质的量溶质的酸溶液、碱溶液反应”这个重要知识点.有些学生对其中蕴含的规律缺乏认识，或者虽知其然但不知其所以然，从而造成解答此类习题时一筹莫展，无从下笔.现就此知识点进行充分阐述，以帮助学生认识规律、应用规律. 　　一、深入讨论，摸清规律 　　笔者特意设计了以下问题，展开深入讨论，将得出的结论提炼成为规律，用来指导解题实践. 　　问题 取两份物质的量均为a mol的金属铝，分别与含溶质物质的量均为b mol的强酸HnX（ 　　n=1或2）、强碱NaOH溶液反应.如果不考虑铝与强酸或铝与强碱恰好反应的情况，试分别讨论： 　　1.铝与HnX、氢氧化钠溶液的反应存在几种情况？为什么？在这几种情况中，同时满足铝与HnX、铝与氢氧化钠溶液反应的a、b之间是什么关系？ 　　2.铝与HnX反应生成氢气体积和铝与氢氧化钠溶液反应生成氢气体积之比又各是多少？ 　　讨论： 　　对于①式，在不须讨论恰好反应前提下，a mol Al与b mol HnX反应只有2种情况：要么铝不足，要么铝过量. 　　对于②式，在不须讨论恰好反应前提下，a mol Al与b mol NaOH反应也只有2种情况：要么铝不足，要么铝过量. 　　同时符合①②两式要求的，理论上有四种组合，预测出现四种情况，分别是： 　　第一种情况：铝对于①式酸、②式碱均不足；第二种情况：铝对于①式酸、②式碱均过量； 　　第三种情况：铝对于①式酸过量，但对于②式碱不足； 　　第四种情况：铝对于①式酸不足，但对于②式碱过量. 　　现对预测的四种情况逐一详细讨论，看能否成立以及a、b关系、生成氢气体积比将如何. 　　第一种情况：铝对于①式酸、②式碱均不足 　　（1）讨论是否成立及a、b关系 　　①式中a、b之间关系：由于Al不足，HnX过量，所以有ab　　②式中a、b之间关系：由于Al不足，NaOH过量，所以有a　　因为①式a　　图1 　　由上述得知a、b关系为：a　　（2）讨论生成氢气体积比 　　①式中生成H2的物质的量：由于Al不足，故用a来求H2的物质的量，为3a2mol； 　　②式中生成H2的物质的量：由于Al不足，故用a来求H2的物质的量，为3a2mol. 　　故①②两式中生成氢气的体积比： 　　此结论是可逆互推的.在等量的铝分别与含相等物质的量溶质的酸溶液、碱溶液反应中，如果Al对于酸、碱均不足，则必定存在V酸（H2）V碱（H2）=11或 　　ab　　第二种情况：铝对于①式酸、②式碱均过量 　　（1）讨论是否成立及a、b关系 　　①式中a、b之间关系：由于Al过量，HnX不足，所以有ab>2n6，即a>nb3； 　　②式中a、b之间关系：由于Al过量，NaOH不足，所以有a>b. 　　因为①式a>nb3和②式a>b存在交集，为a>b，即能在a>b范围内找到同时满足①②式要求的a、b的值，所以第二种情况会存在. 　　由上述得知a、b关系为：a>b，亦可变形为ab>11. 　　（2）讨论生成氢气体积比 　　①式中生成H2的物质的量：由于HnX不足，故用b来求H2的物质的量，为nb2mol； 　　②式中生成H2的物质的量：由于NaOH不足，故用b来求H2的物质的量，为3b2mol. 　　故①②两式中生成氢气的体积比： 　　V酸（H2）V碱（H2）=nb23b2=n3 　　由此可得出结论：Al对于酸、碱均过量 　　V酸（H2）V碱（H2）=n3 　　或ab>11 　　第三种情况：铝对于①式酸过量，但对于②式碱不足 　　（1）讨论是否成立及a、b关系2nAl + 6HnX2AlnX3+3nH2↑ （n=1或2）① 　　a molb mol 　　2Al + 2NaOH+2H2O2NaAlO2+3H2↑② 　　a molb mol 　　①式中a、b之间关系：由于Al过量，HnX不足，所以有ab>2n6，即a>nb3； 　　②式中a、b之间关系：由于Al不足，NaOH过量，所以有a　　因为①式a>nb3和②式a　　①式中生成H2的物质的量：由于HnX不足，故用b来求H2的物质的量，为nb2mol； 　　②式中生成H2的物质的量：由于Al不足，故用a来求H2的物质的量，为3a2mol. 　　故①②两式中生成氢气的体积比： 　　V酸（H2）V碱（H2）=nb23a2=nb3a 　　来讨论nb3a的取值范围. 　　利用得到的nb31b，然后不等式两边同时乘以nb3，得nb3a>n3. 　　综合起来，得：n3　　由此得出结论： 　　铝对于酸过量但对于碱不足 　　或n3　　　　或n3　　可以看出，在铝对于酸过量，但对于碱不足的情况下，生成H2的体积比刚好介于第一、第二种情况生成H2体积比之间，而ab亦介于第一、第二种情况比值范围之间. 　　第四种情况：铝对①式酸不足，但对②式碱过量 　　（1）讨论是否成立 　　2nAl + 6HnX2AlnX3+3nH2↑ （n=1或2）① 　　a molb mol 　　2Al + 2NaOH+2H2O2NaAlO2+3H2↑② 　　a molb mol 　　①式中a、b之间关系：由于Al不足，HnX过量，所以有ab　　②式中a、b之间关系：由于Al过量，NaOH不足，所以有a>b. 　　因为①式ab没有交集（图2），即不能在某取值范围内找到同时满足①②式要求的a、b的值，所以第四种情况绝不会存在. 　　图2 　　当然，如果还考虑铝与强酸或强碱恰好反应的情形，则远不止上面几种情况.例如当 　　ab=n3和ab=11时，会分别出现铝与酸恰好，但对于碱不足以及铝对于酸过量，但与碱恰好的情况.但此两种情况在解题中应用不大，本文不加予讨论. 　　根据以上讨论，将相关结论综合起来，可以得出以下规律： 　　规律一 等量的铝分别与含相等物质的量溶质的酸、碱溶液反应，在不考虑恰好反应前提下，只能有三种反应情况： 　　第一种情况：铝对于酸、碱均不足； 　　第二种情况：铝对于酸、碱均过量； 　　第三种情况：铝对于酸过量，但对于碱不足. 　　不存在第四种情况：铝对于酸不足，但对于碱过量.（×） 　　可以用数轴将反应情况直观地表示出来（图3），以帮助更好地理解规律. 　　图3 　　当ab11时，处于（Ⅱ）区间内，属于铝对于酸、碱均过量情况；当 　　n3　　规律二：上述三种反应情况与 　　V酸（H2）V碱（H2） 　　或ab比值之间存在可逆互推关系，即由生成氢气的体积比或ab可推知属于哪种反应情况；反过来由某种反应情况亦可推出生成氢气体积比或ab.具体为： 　　互推1：V酸（H2）V碱（H2）=11 或 ab　　互推2：V酸（H2）V碱（H2） 　　=ab>11或ab>11 Al对于酸、碱均过量 　　互推3：n3　　V酸（H2）V碱（H2）　　或 　　n3　　（H2体积比、ab均介于第一、第二种情况之间） 　　二、迁移应用，指导解题 　　可以将这些规律迁移应用到解题实践中. 　　例1 等体积、等物质的量浓度的H2SO4、NaOH溶液分别放在甲、乙两个烧杯中，各加入等物质的量的铝，生成H2体积比为5∶6，则甲、乙两烧杯中反应情况可能分别是（）. 　　A. 甲、乙中都是铝过量 　　B. 甲中铝过量，乙中碱过量 　　C. 甲中酸过量，乙中铝过量 　　D. 甲中酸过量，乙中碱过量 　　解析 在等量的铝分别与含相等物质的量溶质的酸、碱溶液反应中，根据规律一，知道只有三种反应情况，不存在第四种情况：铝对于酸不足，但对于碱过量，从而迅速排除答案C.第一种反应情况生成H2的体积比是11，第二种反应情况生成H2的体积比是23（因为H2SO4是二元酸，n取值为2，故 　　n3=23）.此题中生成H2体积比为5∶6，刚好介于23与11之间，即介于第一、第二种情况生成H2的体积比之间，根据互推3知应为第三种情况：铝对于酸过量，但对于碱不足，即甲中铝过量，乙中碱过量，故答案为B.