元素及其化合物 · 五 · 「铝 $(\ce{Al})$ 及其化合物」

铝的性质

1. 物理性质：具有银白色金属光泽的固体，密度、硬度均较小，熔点较低，有良好的导电、导热性

2. 化学性质

   • 与非金属单质反应

     • 与 $\ce{O2}$ 反应：$\ce{4Al + 3O2 \xlongequal{点燃} 2Al2O3}$

     • 与 $\ce{Cl2}$ 反应：$\ce{2Al + 3Cl2 \xlongequal{点燃} 2AlCl3}$

     • 与 $\ce{S}$ 反应：$\ce{2Al + 3S \xlongequal{\Delta} Al2S3}$

     • 与 $\ce{H2O}$ 反应：$\ce{2Al + 6H2O \xlongequal{} 2Al(OH)3 + 3H2 ^}$

   • 铝在冷的浓硫酸或浓硝酸中钝化

   • 铝与强碱发生反应：$\ce{2Al + 2NaOH + 6H2 \xlongequal{} 2NaAlO2 + 4H2O + 3H2 ^}$

   • 铝热反应：可以与 $\ce{FeO}、\ce{Fe2O3}、\ce{Fe3O4}、\ce{Cr2O3}、\ce{MnO2}、\ce{V2O5}$ 等氧化物反应。用于焊接金属、冶炼难溶金属$\left{\begin{array}{lr}\ce{2Al + Fe2O3 ->[{高温}] Al2O3 + 2Fe}\\ce{2Al + Cr2O3 ->[{高温}] Al2O3 + 2Cr}\\end{array}\right.$

3. 制备：$\ce{2Al2O3(l) \xlongequal[冰晶石]{通电} 4Al + 3O2 ^}$

铝、氧化铝和氢氧化铝

$\ce{AlO^-2<- [Al、Al2O3、Al(OH)3、Al^3+、AlO^-2]->Al^3+}$

与酸反应

• $\ce{2Al + 6H+ \xlongequal{} 2Al^{3+} + 3H2 ^}$（非氧化性酸）

• $\ce{Al2O3 + 6H+ \xlongequal{} 2Al^{3+} + 3H2O}$

• $\ce{Al(OH)3 + 3H+ \xlongequal{} Al^{3+} + 3H2O}$

与强碱反应

• $\ce{2Al + 2OH- + 2H2O \xlongequal{} 2AlO^-2 + 3H2 ^}$

• $\ce{Al2O3 + 2OH- \xlongequal{} 2AlO^-2 + H2O}$

• $\ce{Al(OH)3 + OH- \xlongequal{} AlO^-2 + 2H2O}$

$\ce{Al(OH)3}$ 的电离

• $\ce{Al(OH)3 <=>[H2O] H+ + AlO^-2 + H2O}$

• $\ce{Al(OH)3 <=>[H2O] Al^{3+} + OH-}$

铝离子

1. 与 $\ce{NaOH}$ 的相互滴加缓慢滴加并搅拌

   • 将$\ce{NaOH}$滴入$\ce{Al^{3+}}$溶液中

     1. 先出现白色沉淀：$\ce{Al^{3+} + 3OH- \xlongequal{} Al(OH)3 v}$

     2. 后沉淀消失：$\ce{Al(OH)3 + OH- \xlongequal{} AlO^-2 + 2H2O}$

   • 将$\ce{Al^{3+}}$滴入$\ce{NaOH}$溶液中

     1. 先无明显现象：$\ce{Al^{3+} + 4OH- \xlongequal{} AlO^-2 + H2O}$

     2. 后产生白色沉淀：$\ce{Al^{3+} + 3AlO^-2 + 6H2O \xlongequal{} 4Al(OH)3 v}$

2. 与氨水反应

   $\ce{Al^{3+} + NH3*H2O \xlongequal{} Al(OH)3 v + 3NH4+}$

3. 双水解反应

   • $\ce{Al^{3+} + 3HCO^-3 \xlongequal{} Al(OH)3 v + 3CO2 ^}$

   • $\ce{Al^{3+} + 3CO^2-_3 + 3H2O \xlongequal{} Al(OH)3 v + 3HCO^-3}$

   • $\ce{Al^{3+} + 3AlO^-2 + 6H2O \xlongequal{} 4Al(OH)3 v}$

   • $\ce{2Al^{3+} + 3S^2- + 6H2O \xlongequal{} 2Al(OH)3 v + 3H2S ^}$

   • $\ce{AlO^-2 + NH4+ + H2O \xlongequal{} 4Al(OH)3 v + NH3 ^}$

   • $\ce{2Al^{3+} + 3SiO^2-_3 + 6H2O \xlongequal{} 2Al(OH)3 v + 3H2SiO3 v}$

偏铝酸根

1. 与强酸相互滴加，缓慢滴加并搅拌

   • 将$\ce{H2SO4}$滴入$\ce{AlO^-2}$溶液中

     1. 先出现白色沉淀：$\ce{AlO^-2 + H+ + H2O \xlongequal{} Al(OH)3 v}$

     2. 后沉淀消失：$\ce{Al(OH)3 + 3H+ \xlongequal{} Al^{3+} + 3H2O}$

   • 将$\ce{AlO^-2}$滴入$\ce{H2SO4}$溶液中

     1. 先无明显现象：$\ce{AlO^-2 + 4H+ \xlongequal{} Al^{3+} + 2H2O}$

     2. 后产生白色沉淀：$\ce{Al^{3+} + 3AlO^-2 + 6H2O \xlongequal{} 4Al(OH)3 v}$

2. 与碳酸反应

   立即生成 $\ce{Al(OH)3}$ 沉淀且不溶解。

   • $\ce{CO2}$过量：$\ce{AlO^-2 + 2H2O + CO2 \xlongequal{} Al(OH)3 v + HCO^-3}$

   • $\ce{CO2}$少量：$\ce{2AlO^-2 + 3H2O + CO2 \xlongequal{} 2Al(OH)3 v + CO^2-_3}$

3. 与铵盐溶液反应

   $\ce{NH4+ + AlO^-2 + H2O \xlongequal{} Al(OH)3 v + NH3 ^}$

氢氧化铝

制备

• $\ce{Al^{3+} + NH3*H2O \xlongequal{} Al(OH)3 v + 3NH^4+}$

• $\ce{AlO^-2 + 2H2O + CO2 \xlongequal{} Al(OH)3 v + HCO^-3}$

• $\ce{Al^{3+} + 3AlO^-2 + 6H2O \xlongequal{} 4Al(OH)3 v}$

用途

1. $\ce{Al:}$ 铝合金，航空航天材料

2. $\ce{Al2O3:}$ 耐热材料；炼铝原料；刚玉（红宝石、蓝宝石）

3. $\ce{Al(OH)3:}$ 净水剂；制酸剂（治疗胃酸过多）；阻燃剂

4. 可溶性铝盐：净水剂（明矾：$\ce{KAl(SO4)2·12H2O}$）

铝及其重要化合物的转化

1. $\ce{2Al + 6H+ \xlongequal{} 2Al^3+ +3H2 ^}$

2. $\ce{2Al + 2OH- +2H2O \xlongequal{} 2AlO^-2 +3H2 ^}$ （记忆：4213，四个 2、一个 3）

3. $\ce{4Al + 3O2 \xlongequal{点燃} 2Al2O3}$

   $\ce{2Al + Fe2O3 \xlongequal{高温} Al2O3 + 2Fe}$

4. $\ce{2Al2O3(熔融) \xlongequal[冰晶石]{通电} 4Al + 3O2 ^}$

5. $\ce{2Al(OH)3 \xlongequal{\Delta} Al2O3 + 3H2O}$

6. $\ce{Al2O3 + 6H+ \xlongequal{} 2Al^3+ + 3H2O}$

7. $\ce{Al2O3 + 2OH- \xlongequal{} 2AlO^-2 + H2O}$

8. $\ce{Al(OH)3 + 3H+ \xlongequal{} AlO^3+ + 3H2O}$

9. $\ce{Al^3+ + 3OH- \xlongequal{} Al(OH)3 v}$

10. $\ce{AlO^-2 + H+ +H2O \xlongequal{} Al(OH)3 v}$

11. $\ce{Al(OH)3 + OH- \xlongequal{} AlO^-2 + 2H2O}$

12. $\ce{AlO^-2 + 4H+ \xlongequal{} Al^3+ + 2H2O}$

13. $\ce{Al^3+ + 4OH- \xlongequal{} AlO^2- + 2H2O}$

氧化铝无法一步反应为氢氧化铝