“線型”策略：科學學鋁的新方法

　　元素化合物知識作為其他化學知識的載體，在中學化學中占有舉足輕重的地位。縱觀近幾年的高考試題，鋁、氧化鋁、氫氧化鋁、常見的鋁鹽(如氯化鋁、明礬等)一直是命題的熱點。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 年開始高中化學教學采用了新教材。不難發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，要求學生用平衡的理念來分析。這勢必對學生這一節的學習，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Al與酸反應、Al3+與堿反應，AlO2-與酸反應的離子方程式書寫以及計算、圖象分析等方向作文章。

　　傳統的教學方式中，往往習慣于采用“鋁三角”來教學。鋁三角可以表明Al3+、Al(OH)3、AlO2-之間存在一定關聯，三者之間可以通過加入酸或者堿相互轉化。然而關鍵的定量關系(Al3+與OH-相互滴加產物的討論等)不能通過“鋁三角”得以體現。因為，鋁三角忽略了最為關鍵的一點：AlO2-是Al(OH)3在OH-過量時產生的。為了解決這一問題，筆者大膽提出“線型”學鋁策略。

　　一.線型學鋁概念的提出

　　“線型學鋁”策略中所謂的“鋁線”，其實就是由

　　H+ Al3+ Al(OH)3 AlO2- OH-

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

　　二.線型學鋁概念的剖析

　　“線型學鋁”基本內容可以由四句話來概括——相鄰粒子不反應，相隔粒子聚中間，隔之越遠越易行，所帶電荷是關鍵。

　　(一)相鄰粒子不反應——解決粒子間共存問題

　　有鋁元素參加的粒子間共存問題的討論一直是會考、高考的熱點，2004年的浙江省會考試卷中就有兩題(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”中的粒子的共存關系。只要明確“鋁線”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物

　　含鋁化合物在溶液中發生反應，產物與反應物物質的量比例有關。因此，反應產物的討論對于學生來說明顯是一個難點。填鴨式的教學方式(例如：要求學生強記 Al3+與OH-1∶3反應產物為Al(OH)3，1∶4反應產物為AlO2-等)效果并不好。試題角度稍一改變，學生就很難將已有的知識加以應用。化學新課程標準強調讓學生形成積極主動的學習態度。“線型學鋁”概念的提出，可以使學生在鋁元素的學習中，將研究性學習與接受性學習有機的整和在一起。“鋁線”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反應粒子中間的粒子(產物水被略去)。只要學生了解這一點，就可以引導學生充分利用“鋁線”，自己主動去獲取結論。

　　例如根據鋁線H+ Al3+ Al(OH)3 AlO2- OH-不難發現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”過程中，學生可能又會產生問題：若處于兩個粒子中間的粒子不是一個，而是有兩個時該如何分析——這恰恰也是過量問題，互滴問題的難點所在。仔細觀察，不難發現這一問題利用“鋁線”還是可以得到很好解決。簡單的說：A溶液中滴加B，開始A過量，產物靠近A。舉個例子：鹽酸中滴加偏鋁酸鈉溶液。反應開始時鹽酸過量，產物從“鋁線”分析應靠近H+，因此為Al3+，開始無沉淀。反之，若在偏鋁酸鈉溶液中滴加鹽酸，開始偏鋁酸鈉溶液過量，產物從 “鋁線”分析應靠近AlO2-，因此為Al(OH)3，開始就產生沉淀。

　　(三)隔之越遠越易行——分析反應先后、難易問題

　　溶液中存在的陰離子或者陽離子可能有多種，加入陽離子或者陰離子可能與存在的離子都能發生反應。例如：AlCl3溶液中加入過量的NaOH后，溶液中大量存在的陰離子有AlO2- 和OH-，若向此時的溶液中加入H+，就會涉及反應先后問題。一般的教學方式，可以假設與H+先反應的是AlO2-，但產物無論是Al3+、 Al(OH)3都與存在的OH-要反應，從而推翻假設。這種教學方式較為繁瑣，即使理解，記憶也不輕松。學生在理解后，可以利用“鋁線” H+ Al3+ Al(OH)3 AlO2- OH-，“隔之越遠越易行”方便學生記憶。H+、OH-在鋁線中相隔較遠，因此H+ 與OH-先反應。同理，溶液中若同時存在H+、Al3+時，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題，更深層次講，還蘊涵著粒子間反應難易問題。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”上離開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)所帶電荷是關鍵——討論離子反應計量關系

　　離子方程式的書寫，關鍵要搞清楚反應物的計量數比及產物。產物的分析可以由“鋁線”解決。其實，計量數比同樣可以結合“鋁線”及電荷守恒，物料守恒得以解決。例如H+和 AlO2- 化學計量數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，所帶電荷是關鍵”四句話是一個有機的整體，相互關聯，表明了粒子之間的共存和反應的關系。參照“鋁線”，聯系這四句話，基本可以解決與鋁元素有關的離子共存，離子方程式書寫，過量計算中產物的判斷等問題，甚至也可以用于鋁元素有關的圖象問題的討論。

　　三.線型學鋁概念中值得注意的問題

　　(一) 關于H+的討論

　　“鋁線”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生大量H+的物質。如：醋酸，硫酸氫鈉等。(若其酸根與鋁離子會強烈雙水解的酸，則該酸不與Al(OH)3反應)

　　(二) 關于OH-的討論

　　“鋁線”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，pH為4.8，所以 •H2O也能使Al3+沉淀。

　　(三) AlO2-

　　AlO2-實質上只是高中化學中對Al(OH)4-的一種簡寫。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法得到“HAlO2”，而得到白色無定形凝膠沉淀Al(OH)3。但“HAlO2”可以是結晶正 Al(OH)3在573K下，加熱兩小時得到的，正確的名稱為偏氫氧化鋁AlO(OH)。因此，我們常說的“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，產物也類似，只是相差若干個水分子。但值得強調一點是：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定形凝膠，而不是結晶正Al(OH)3。同樣常見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β-Al2O3陶瓷做電解食鹽水的隔膜生產燒堿。所以，并非所有的Al(OH)3、Al2O3都可以與強酸、強堿反應

　　四.線型學鋁概念的實質——酸堿中和

　　我們引用J.N.Bronsted—T.M.Lowry的酸堿質子理論所定義的酸堿概念。任何能釋放質子的物種叫做酸，任何能結合質子的物種叫做堿。Al3+在水中實質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-)可以結合質子(即H+)，因此可以認為是堿。根據上述的理論，“鋁線”上粒子所能發生的反應都可以歸納為酸堿中和。

　　五.線型學鋁概念的衍生

　　(一) 類似于Al(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位置，兩者的離子勢接近，所以它們有許多相似的化學性質，兩者的氫氧化物都屬兩性。所以鈹存在“鈹線”

　　H+ Be2+ Be(OH)2 BeO22- OH-

　　同理，鋅元素存在“鋅線”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”，如

　　H+ H2CO3 HCO3- CO32- OH-，若同樣以J.N.Bronsted—T.M.Lowry的酸堿質子理論來定義酸堿，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，所帶電荷是關鍵”四句話來概括。高一堿金屬章節中的Na2CO3與HCl反應產物的判斷，高三教材中的酸式鹽與堿的離子方程式的書寫等都可以用上述線型策略去討論。

　　例如(04浙江省會考)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-的電離其實并不完全，嚴格來說H2SO4也應存在類似的線型關系，只是在高中階段暫不討論。

　　“線型”學鋁概念的提出，不僅克服了“鋁三角”學習中三者定量關系模糊不清這一缺點，使鋁元素的學習變的輕松，便于理解。同時，“線型”概念的衍生，也使得兩性物質的學習更簡單。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似的“線型”概念去思考。