硫酸鋁遇碳酸鈉, 碳酸氫鈉時(shí)水解-沉淀產(chǎn)物的探索

1、硫酸鋁遇碳酸鈉、碳酸氫鈉時(shí)水解-沉淀產(chǎn)物的探索陸燕海1 林肅浩2（1浙江湖州德清高級(jí)中學(xué) 313200 ； 2浙江杭州二中 310053）摘 要 用Al2(SO4)3溶液與Na2CO3溶液、NaHCO3溶液制備了四種沉淀， 并通過分析與實(shí)驗(yàn)探究初步檢驗(yàn)了不同條件下生成的沉淀中“碳酸鋁”、堿式碳酸鈉鋁等的存在，說明了上述水解-沉淀反應(yīng)的復(fù)雜性。關(guān)鍵詞 雙水解 碳酸鋁 堿式碳酸鈉鋁 復(fù)雜性1 提出問題對(duì)于鹽類水解規(guī)律口訣是大多數(shù)高中學(xué)生耳熟能詳?shù)膬?nèi)容：“有弱才水解，無弱不水解；誰弱誰水解，都弱雙水解；越弱越水解，誰強(qiáng)顯誰性”。在通常狀況下，像Al3+遇到CO32、HCO3等時(shí)會(huì)發(fā)生雙水解，程度較大

2、反應(yīng)劇烈，既有白色沉淀又有氣體生成，可看到非常明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。其反應(yīng)原理可表示為：2Al3+ + 3CO32 + 3H2O 2Al(OH)3+ 3CO2 Al3+ + 3HCO3 Al(OH)3 + 3CO2 當(dāng)Al2(SO4)3溶液與Na2CO3溶液或NaHCO3溶液混合時(shí),過去一般都理所當(dāng)然地認(rèn)為只是（按式、式）生成Al(OH)3沉淀的反應(yīng)。在進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)時(shí)我們也能觀察到有氣泡和大量的白色沉淀生成，但氣體生成量似乎與我們的預(yù)期存在很大的落差。在仔細(xì)研究實(shí)驗(yàn)過程和觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后我們發(fā)現(xiàn)，Al2(SO4)3溶液與Na2CO3溶液或NaHCO3溶液的反應(yīng)(實(shí)驗(yàn))并非那么簡(jiǎn)單，還有些我們未洞悉的問

3、題值得深入研究。2 實(shí)驗(yàn)過程先配制0.25mol/L的Al2(SO4)3溶液、0.50mol/L的Na2CO3溶液、0.50mol/L的NaHCO3溶液各100 mL備用，再分別按實(shí)驗(yàn)1 4制取四種白色沉淀。實(shí)驗(yàn)1 用小燒杯取10mLAl2(SO4)3溶液，用滴管逐滴滴加3滴管（約3mL）Na2CO3溶液并用玻璃棒不斷攪拌，產(chǎn)生大量白色絮狀沉淀并伴有少量氣泡，pH試紙最后檢驗(yàn)溶液pH值為 6（調(diào)整后處于酸性范圍內(nèi)）。過濾，用蒸餾水多次洗滌白色沉淀至濾液中滴加BaCl2溶液不再產(chǎn)生白色沉淀為止。室溫晾干得固體樣品（以下簡(jiǎn)稱為樣品 1）。實(shí)驗(yàn)2 用小燒杯取10 mL Na2CO3溶液，用滴管逐滴滴

4、加3滴管（約 3mL）的Al2(SO4)3溶液并用玻璃棒不斷攪拌，立即產(chǎn)生大量白色絮狀沉淀，開始無明顯氣泡后逐漸增加，pH試紙最后測(cè)得溶液pH值為89（調(diào)整后處于堿性范圍內(nèi)）。過濾，用蒸餾水多次洗滌白色沉淀至濾液中滴加BaCl2溶液不再產(chǎn)生白色沉淀為止。室溫晾干得固體樣品（以下簡(jiǎn)稱為樣品 2）。實(shí)驗(yàn)3 用小燒杯取10 mLAl2(SO4)3溶液，用滴管逐滴滴加3滴管（約3mL）NaHCO3溶液并用玻璃棒不斷攪拌，即刻產(chǎn)生大量氣泡和白色沉淀，pH試紙最后檢驗(yàn)溶液pH值為56（調(diào)整后處于酸性范圍內(nèi)）。過濾，用蒸餾水多次洗滌白色沉淀至濾液中滴加BaCl2溶液不再產(chǎn)生白色沉淀為止。室溫晾干得固體樣品（

5、下面簡(jiǎn)稱為樣品 3）。實(shí)驗(yàn)4 用小燒杯取10 mL NaHCO3溶液，用滴管逐滴滴加3滴管（約3mL）Al2(SO4)3溶液并用玻璃棒不斷攪拌，立刻產(chǎn)生大量的白色沉淀和氣泡，pH試紙最后測(cè)得溶液pH值為 8（調(diào)整后處于堿性范圍內(nèi)）。過濾，用蒸餾水多次洗滌白色沉淀至濾液中滴加BaCl2溶液不再產(chǎn)生白色沉淀為止。室溫晾干得固體樣品（下面簡(jiǎn)稱為樣品 4）。實(shí)驗(yàn)5 往具支試管內(nèi)加少量樣品 1，滴管和帶膠冒的玻璃導(dǎo)管中分別預(yù)先取好5mol/L的鹽酸、澄清石灰水，按圖1 組裝好實(shí)驗(yàn)裝置。將滴管中的鹽酸擠入具支試管內(nèi)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；改用樣品2、樣品3和樣品4重復(fù)上述操作，觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象于下表1（實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)

6、境溫度為16）。 表 1 鹽酸與四種不同樣品反應(yīng)時(shí)的現(xiàn)象對(duì)比序號(hào)樣 品實(shí) 驗(yàn) 現(xiàn) 象具 支 試 管 內(nèi) 樣 品 情 況澄 清 石 灰 水5-A樣品 1樣品迅速溶液，無明顯氣泡無明顯現(xiàn)象5-B樣品 2樣品迅速溶解并有少量氣泡生成略微出現(xiàn)渾濁5-C樣品 3樣品迅速溶解并伴有氣泡生成明顯渾濁5-D樣品 4樣品迅速溶解并產(chǎn)生大量氣泡明顯渾濁3 分析探索3.1 Na2CO3溶液與Al2(SO4)3溶液混合氫氧化鋁遇鹽酸應(yīng)只出現(xiàn)沉淀溶解現(xiàn)象，對(duì)比表1中5A、5B實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，由Al2(SO4)3和Na2CO3按不同混合比例時(shí)制得的白色沉淀樣品1和樣品2遇鹽酸后后者能使澄清石灰水渾濁而前者未現(xiàn)，可見樣品2遇酸能

7、產(chǎn)生少量CO2 。筆者設(shè)想，既然Mg2+、Cu2+遇CO32會(huì)有堿式鹽生成，Al3+能否也會(huì)生成碳酸鋁抑或是堿式碳酸鋁呢？通過難溶物Ksp的分析與計(jì)算我們很快否定了這些物質(zhì)存在的可能性1。據(jù)文獻(xiàn)2報(bào)導(dǎo)，工業(yè)上酸性的Al2(SO4)3溶液與堿性溶液中和并在足量Na2CO3存在下可制備“碳酸鋁”，其中Na2CO3的存在是制取“碳酸鋁”必不可少的條件3。當(dāng)然這里所說的碳酸鋁并不是一般化學(xué)概念上的化合物Al2(CO3)3，而是以含少量碳酸根為標(biāo)志的氧化鋁水合物。該物質(zhì)的固料微粒內(nèi)均勻地散布著CO2，遇酸時(shí)會(huì)顯示出優(yōu)異的酸溶特性并釋放碳酸氣。實(shí)驗(yàn)2 向Na2CO3溶液中逐滴滴加Al2(SO4)3溶液時(shí)在

8、雙水解生成白色沉淀的同時(shí)，由于Na2CO3始終處于過量狀態(tài)，正好給“碳酸鋁”的析出創(chuàng)造了條件，因此我們認(rèn)為樣品2中混有少量“碳酸鋁”是順理成章的；而實(shí)驗(yàn)1向Al2(SO4)3溶液中逐滴滴加Na2CO3溶液時(shí)，由于Al2(SO4)3的過量導(dǎo)致Na2CO3完全水解成CO2 而不可能剩余，缺乏“碳酸鋁”的生成條件，樣品1加酸沒有氣泡生成也就不足為奇了。3.2 NaHCO3溶液與Al2(SO4)3溶液混合若在硫酸鋁和碳酸鈉反應(yīng)生成氫氧化鋁后，再加入一定量的NaHCO3可使氫氧化鋁進(jìn)一步反應(yīng)生成堿式碳酸鈉鋁，原理4可表示為：（1） Al2(SO4)3+3H2O+3Na2CO3=2Al(OH)3+3CO2

9、+3Na2SO4 、 （2）Al(OH)3+NaHCO3 = NaAl(OH)2CO3+H2O，其中第二步是合成產(chǎn)物的關(guān)鍵步驟工業(yè)上將該方法稱為堿式碳酸鈉鋁的硫酸鋁合成法。堿式碳酸鈉鋁又名雙羥基鋁碳酸鈉，化學(xué)式為NaA1(OH)2CO3 ，結(jié)構(gòu)式5如右圖2，它是一種難溶于水的白色固體，遇酸迅速分解釋出CO2 ，但常溫下堿式碳酸鈉鋁在空氣中相當(dāng)穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)4中向NaHCO3溶液逐滴加入Al2(SO4)3溶液時(shí)，因Al3+和HCO3雙水解而生成大量白色Al(OH)3絮狀沉淀，攪拌過程中Al(OH)3又繼續(xù)與多余的NaHCO3發(fā)生上述反應(yīng)（2）。實(shí)驗(yàn)中由于NaHCO3始終處于過量狀態(tài)促使產(chǎn)物堿式碳酸鈉

10、鋁生成率較高，因此制得的樣品4遇酸能產(chǎn)生大量的氣泡。相比之下，實(shí)驗(yàn)3溶液始終弱酸性環(huán)境則直接影響到的NaA1(OH)2CO3的生成與保留，產(chǎn)物堿式碳酸鈉鋁的量及實(shí)驗(yàn)5C中氣泡量就自然不如實(shí)驗(yàn)4了。為了使上述分析解釋更具說服力，我們還做了以下補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)6 用潔凈的鉑絲蘸取實(shí)驗(yàn)5C、5D反應(yīng)后的清液，進(jìn)行焰色反應(yīng)，火焰顏色為黃色，說明存在Na+ 。實(shí)驗(yàn)7 兩小試管中分別取少量實(shí)驗(yàn)5C、5D反應(yīng)后的清液，滴入23d BaCl2溶液無白色沉淀，說明不存在SO42 。實(shí)驗(yàn)8 在兩小試管中分別取少量樣品3、樣品4，邊振蕩邊滴加3mol/L的NaOH溶液直至樣品全部溶解，滴入23d BaCl2溶液試管內(nèi)

11、出現(xiàn)白色渾濁，說明樣品中存在CO32。至此，在上述實(shí)驗(yàn)的佐證下我們基本可以這樣認(rèn)為，硫酸鋁和碳酸氫鈉混合時(shí)在生成氫氧化鋁的同時(shí)還有堿式碳酸鈉鋁生成。但至于其他更深層次的問題，例如產(chǎn)物中堿式碳酸鈉鋁含量與溶液酸堿性關(guān)系、怎樣分離提純堿式碳酸鈉鋁等等，說實(shí)在的限于高中的實(shí)驗(yàn)條件我們也已經(jīng)沒有能力繼續(xù)對(duì)上述疑問深入探討下去了，但至少通過我們的實(shí)驗(yàn)與分析已基本可以說明Al2(SO4)3與Na2CO3、NaHCO3反應(yīng)并非原先想象中那么簡(jiǎn)單，需要我們?nèi)ブ匦录右詫徱?。?lián)系現(xiàn)行高中化學(xué)教材，泡沫滅火器是用于說明鹽類水解知識(shí)與生活生產(chǎn)實(shí)際緊密相連的一塊很重要的教學(xué)內(nèi)容，原理即為Al2(SO4)3與NaHCO3

12、的反應(yīng)：Al3+3HCO3 Al(OH)3+3CO2。教材6認(rèn)為，泡沫滅火器中硫酸鋁溶液和碳酸氫鈉溶液混合時(shí)由于Al3+與HCO3能分別與水電離產(chǎn)生的OH和H+反應(yīng)，導(dǎo)致溶液中 H+ 和 OH 濃度均大量減小，促使水解反應(yīng)正向進(jìn)行直至水解完全，產(chǎn)生的大量二氧化碳和氫氧化鋁等一起以泡沫的形式噴出，覆蓋在燃燒物表面，從而達(dá)到滅火的效果。細(xì)細(xì)品讀和計(jì)算分析后，我們發(fā)現(xiàn)有些內(nèi)容還是值得疑義的。首先，碳酸氫鈉溶液和硫酸鋁溶液能徹底反應(yīng)的“動(dòng)力”應(yīng)當(dāng)是H+ 與Al3+ 兩方面共同大量消耗OH致使溶液中c(OH)的迅速減小，并非只是H+和OH反應(yīng)的結(jié)果；再者，化學(xué)泡沫滅火器在2002年6月就已列入淘汰落后生產(chǎn)能力、工藝和產(chǎn)品的目錄（第三批）并限于年月日前將其堅(jiān)決淘汰7，一律不得再進(jìn)口、轉(zhuǎn)移、生產(chǎn)、銷售和使用，不再是我們普遍使用的滅火設(shè)備。為此，我們建議教材編寫者選用其他更具時(shí)代氣息的應(yīng)用背景替換，或改以“化學(xué)史話”的方式呈現(xiàn)泡沫滅火器內(nèi)容。可見，即使是被很多教師奉為金科玉律的教材也并非是完美的，難免存在一些不足的地方。我質(zhì)疑，我探究，我反思，我創(chuàng)新，我就有收獲。在實(shí)際的化學(xué)教學(xué)活動(dòng)中，很多內(nèi)容都需要我們也值得我們用批判的態(tài)度去審查去質(zhì)疑，若長期習(xí)慣于“以書為證”則必將成為偽證！參 考 文 獻(xiàn)1 張德山，