研究小组进行如图所示实验,试剂 A 为 0.2mol·L -1 CuSO 4 溶液,发现铝条表面无明显变化,于是改变实验条件,探究铝和 CuSO 4 溶液、 CuCl 2 溶液反应的影响因素。用不同的试剂 A 进行实验 1~ 实验 4 ,并记录实验现象:
实验序号 | 试剂 A | 实验现象 |
1 | 0.2mol·L -1 CuCl 2 溶液 | 铝条表面有气泡产生,并有红色固体析出 |
2 | 0.2mol·L -1 CuSO 4 溶液,再加入一定质量的 NaCl 固体 | 开始铝条表面无明显变化,加 NaCl 后,铝条表面有气泡产生,并有红色固体析出 |
3 | 2mol·L -1 CuSO 4 溶液 | 铝条表面有少量气泡产生,并有少量红色固体 |
4 | 2mol·L -1 CuCl 2 溶液 | 反应非常剧烈,有大量气泡产生,溶液变成棕褐色,有红色固体和白色固体生成 |
( 1 ) 实验 1 中,铝条表面析出红色固体的反应的离子方程式为 ___________ 。
( 2 ) 实验 2 的目的是证明铜盐中的阴离子 Cl — 是导致实验 1 中反应迅速发生的原因,实验 2 中加入 NaCl 固体的质量为 ___________ g(NaCl 的相对分子质量 58.5) 。
( 3 ) 实验 3 的目的是 ___________ 。
( 4 ) 经检验知,实验 4 中白色固体为 CuCl ,甲同学认为产生白色固体的原因可能是发生了 Cu+CuCl 2 =2CuCl 。
查阅资料知: CuCl 难溶于水,能溶解在 Cl — 浓度较大的溶液中,生成 [CuCl 2 ] — 络离子,用水稀释含 [CuCl 2 ] — 的溶液时会重新析出 CuCl 白色沉淀。
为探究实验 4 中溶液呈现棕褐色的原因,分别取白色 CuCl 固体进行以下实验:
实验序号 | 实验操作 | 实验现象 |
i | 加入浓 NaCl 溶液 | 沉淀溶解,形成无色溶液 |
ii | 加入饱和 AlCl 3 溶液 | 沉淀溶解,形成褐色溶液 |
iii | 向 i 所得溶液中加入 2mol·L -1 CuCl 2 溶液 | 溶液由无色变为褐色 |
①由上述实验及资料可推断,实验 4 中溶液呈棕褐色的原因可能是 [CuCl 2 ] — 与 Al 3+ 、 ___________ 作用的结果。
②为确证实验 4 所得的棕褐色溶液中含有 [CuCl 2 ] — ,应补充的实验是:取适量实验 4 的棕褐色溶液, ___________ 。
( 5 ) 上述实验说明,铝和 CuSO 4 溶液、 CuCl 2 溶液的反应现象与 ______ 、 ______ 有关。
( 1 ) 3Cu 2+ +2Al=3Cu+2 Al 3+
( 2 ) 0.117
( 3 ) 证明增大 CuSO 4 溶液浓度能够使 Al 和 CuSO 4 溶液反应
( 4 ) Cu 2+ 加水稀释,观察是否出现白色沉淀
( 5 ) 铜盐中阴离子的种类 铜盐溶液的浓度
【分析】
该实验的目的是探究铝和 CuSO 4 溶液、 CuCl 2 溶液反应的影响因素,证明铝和 CuSO 4 溶液、 CuCl 2 溶液的反应现象与铜盐中阴离子的种类、铜盐溶液的浓度等有关。
( 1 )
实验 1 中,铝条表面析出红色固体的反应为铝和氯化铜溶液反应生成铜和氯化铝,反应的离子方程式为 3Cu 2+ +2Al=3Cu+2 Al 3+ ,故答案为: 3Cu 2+ +2Al=3Cu+2 Al 3+ ;
( 2 )
实验 1 中氯化铜溶液中氯离子的物质的量为 0.2mol/L × 0.005L × 2=0.002mol ,由实验 2 的目的是证明铜盐中的阴离子 Cl — 是导致实验 1 中反应迅速发生的原因可知,实验 2 中溶液中氯离子的物质的量与实验 1 相等,则氯化钠的质量为 0.002mol × 58.5g/mol=0.117g ,故答案为: 0.117 ;
( 3 )
与实验 2 相比,实验 3 增大了硫酸铜溶液的浓度,由铝条表面有少量气泡产生,并有少量红色固体可知,增大了硫酸铜溶液的浓度,可以使铝和硫酸铜溶液反应,故答案为:证明增大 CuSO 4 溶液浓度能够使 Al 和 CuSO 4 溶液反应;
( 4 )
① 由上述实验及资料可推断,实验 4 中溶液呈棕褐色的原因可能是溶液中二氯合铜离子与铝离子、铜离子作用的结果,故答案为: Cu 2+ ;
② 由题给信息可知,取适量实验 4 的棕褐色溶液加水稀释,观察是否出现白色沉淀可以确证实验 4 所得的棕褐色溶液中含有二氯合铜离子,故答案为:加水稀释,观察是否出现白色沉淀;
( 5 )
根据实验 1 和 2 、 2 和 3 、 1 和 4 中所用试剂的种类和浓度以及实验现象可知,铝和硫酸铜溶液、氯化铜溶液的反应现象与铜盐中阴离子的种类、铜盐溶液的浓度因素有关,故答案为:铜盐中阴离子的种类;铜盐溶液的浓度。
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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