铝是国民经济发展的重要材料,铝在地壳中的含量约占8%,目前我国铝消费量超过430万吨,在众多的金属中仅次于铁。请回答下问题:
(Ⅰ)实验室中用金属铝制备少量氢氧化铝,有以下3种方案:
方案1:AlAl3+Al(OH)3↓
方案2:AlAlOAl(OH)3↓
方案3:—→Al(OH)3
制备相同物质的量的氢氧化铝消耗酸和碱最少的是方案________。
(Ⅱ)工业上冶炼铝的流程图如图所示:
在制取氧化铝的过程中,分析铝土矿和赤泥中所含Al2O3、Fe2O3质量分数的数据如下:
(1)书写化学方程式,反应①________,反应②________。
(2)电解氧化铝生产铝时,阳极的电极反应式为_______________________________________。
(3)假设其他杂质不参加反应,则每生产3.4 t纯净的氧化铝,需铝土矿________t。
3 2NaAlO2+CO2+3H2O===Na2CO3+2Al(OH)3↓ Na2CO3+Ca(OH)2===CaCO3↓+2NaOH 2O2--4e-===O2↑ 6.18
【分析】
(Ⅰ)根据金属铝和酸以及和碱发生反应的化学方程式来计算回答;
(Ⅱ)(1)向偏铝酸钠中通入二氧化碳反应会生成氢氧化铝沉淀,碳酸钠可以和氢氧化钙发生复分解反应;
(2)电解池中,阳极是惰性电极时,该极上是阴离子发生失电子的氧化反应;
(3)根据铝元素守恒来计算回答。
【详解】
(Ⅰ)根据金属铝和酸以及和碱发生反应的化学方程式可以得出:Al~3H+~Al3+~Al(OH)3,所以制备相同物质的量的氢氧化铝消耗酸和碱最少的是方案3;
(Ⅱ)(1)向偏铝酸钠中通入二氧化碳反应会生成氢氧化铝沉淀,即2NaAlO2+CO2+3H2O=Na2CO3+2Al(OH)3↓,碳酸钠可以和氢氧化钙发生复分解反应Na2CO3+Ca(OH)2=CaCO3↓+2NaOH;
(2)电解池中,阳极是惰性电极时,该极上是阴离子O2-发生失电子的氧化反应:2O2--4e-=O2↑;
(3)根据铝土矿中氧化铝的质量分数为55%,所以每生产3.4t纯净的氧化铝,需铝土矿的质量:=6.18t。
铝的主要性质:
“铝三角”关系:
Al3++3OH-===Al(OH)3↓
Al(OH)3+OH-===AlO2-+2H2O
Al3++4OH-===AlO2-+2H2O
AlO2-+2H2O+CO2===Al(OH)3↓+HCO3-
AlO2-+H++H2O===Al(OH)3↓
AlO2-+4H+===Al3++2H2O
铝的特殊性质:
铝既能与酸反应,也能与强碱反应。
铝与酸反应:铝与浓硫酸在常温下发生钝化,2Al+6HCl==2AlCl3+3H2↑
铝与碱反应:2Al+2NaOH+2H2O==2NaAlO2+3H2↑
铝热反应:
铝热法是一种利用铝的还原性获得高熔点金属单质的方法。此种反应被称为铝热反应。
可简单认为是铝与某些金属氧化物(如Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3、V2O5等)或非金属氧化物(如SiO2等)在高热条件下发生的反应。
铝热反应常用于冶炼高熔点的金属,并且它是一个放热反应,
其中镁条为引燃剂,氯酸钾为助燃剂。
其装置如下图所示:
铝热反应配平技巧:
取反应物和生成物中氧化物中两边氧的最小公倍数,即可快速配平,如8Al+3Fe3O4=4Al2O3+9Fe中,可取Fe3O4和Al2O3中氧的最小公倍数12,则Fe3O4前应为3Al2O3前应为4,然后便可得到Al为8,Fe为9。
镁铝的化学性质比较:
单质 | 镁 | 铝 |
与非金属反应 | 2Mg+O2=(点燃)=2MgO (发出耀眼白光) Mg+Cl2=(点燃)=MgCl2 3Mg+N2=(点燃)=Mg3N2 |
4Al+3O2=(加热)=2Al2O3 2Al+3Cl2=(加热)=2AlCl3 2Al+3S=(加热)=Al2S3 |
与沸水反应 | Mg+2H2O=(加热)=Mg(OH)2+H2↑ | 不反应 |
与酸反应 | Mg+2H+==Mg2++H2↑ 与稀硝酸反应生成Mg(NO3)2、NOx(或者N2、NH4NO3)、H2O |
2Al+6H+==2Al3++3H2↑ 在冷的浓硝酸或浓硫酸中钝化 |
与氧化物反应 | 2Mg+CO2=(点燃)=2MgO+C (剧烈燃烧,生成白色粉末和黑色固体) |
2Al+Fe2O3=(高温)=2Fe+Al2O3(铝热反应) |
与盐溶液反应 | Mg+2NH4++2H2O==Mg2++2NH3·H2O+H2↑ Mg+Cu2+==Mg2++Cu |
2Al+3Hg2+=2Al3++3Hg |
与强碱反应 | 不反应 | 2Al+2OH-+2H2O==2AlO2-+3H2↑ |
取反应物和生成物中氧化物中两边氧的最小公倍数,即可快速配平,如8Al+3Fe3O4=4Al2O3+9Fe中,可取Fe3O4和Al2O3中氧的最小公倍数12,则Fe3O4前应为3Al2O3前应为4,底下便可得到Al为8,Fe为9。
铝与酸、碱反应的计算技巧:
铝与酸、碱反应的实质都是,,所以根据得失电子守恒可知:,利用此关系可以方便地进行有关计算。
铝与酸或碱溶液反应生成H2的量的计算:
Al是我们中学阶段学习的唯一既与H+反应也与OH-反应的金属,它与酸、碱反应既有相同点,也有不同点。
相同点:Al均被氧化成+3价,所以1molAl不论与H+还是与OH-反应均生成3gH2。
不同点:1molAl与H+反应消耗3molH+,而与OH-反应只消耗1molOH-,所以含有等物质的量的NaOH溶液和HCl溶液分别与足量的铝反应时生成的氢气的物质的量之比为3∶1。
钝化:
铝、铁在常温下与浓硫酸发生钝化,钝化不是不反应,而是被氧化成一层致密的氧化物薄膜,恰恰说明金属的活泼性。
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