氢氧化铝在氨水中溶解性能的实验探究

戴燕妮　郑子山　陈裕森

摘要： 通过比较不同条件下制备的氢氧化铝在不同浓度氨水中的溶解情况，发现影响氢氧化铝溶解情况的主要因素是氢氧化铝的晶型和氨水浓度。通过探究氢氧化铝在氨水中的溶解性能，帮助学生理解和掌握相关知识点，进一步提高学生的科学探究和终身学习的能力。

关键词： 氢氧化铝; 氨水; 溶解性能; 实验探究

文章编号： 1005-6629（2019）5-0082-03            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

氢氧化铝所表现的酸、碱两性是中学化学元素化合物知识的重点内容。在苏教版《化学1》的“活动与探究”栏目中，通过比较可溶性铝盐与过量的弱碱氨水、强碱NaOH的反应实验，观察到氢氧化铝不能溶解在过量氨水中，但能溶于NaOH溶液中。根据该实验现象，教师一般只强调氢氧化铝易溶于强碱而难溶于弱碱[1]。氢氧化铝在弱碱中的溶解性不仅涉及到电离平衡及沉淀溶解平衡知识点，而且涉及到晶体晶型、材料物相等复杂问题。探讨氢氧化铝在碱中的溶解性，并开发为高中生课外科技活动项目，不仅有利于学生系统学习并掌握有关氢氧化铝性质、电离平衡、沉淀溶解平衡及相关的基础结晶学知识，同时还可以培养学生的科学探究能力，发展学生的学科核心素养。

1  课外科技活动的实施

1.1  实验药品和仪器

Al2（SO4）3·18H2O（AR）、氨水（AR）、氢氧化铝（AR）、蒸馏水、磷酸-磷酸钠的缓冲液（PBS）、250mL容量瓶、量筒、胶头滴管、玻璃棒、烧杯、分析天平、药勺、保鲜膜、8205系列笔式pH计

1.2  实验步骤

1.2.1  氢氧化铝的制备

用分析天平称取约16.6666g的Al2（SO4）3·18H2O固体，配成250mL 0.10mol/L的溶液。往盛有20mL Al2（SO4）3溶液的烧杯中加入适量浓氨水，搅拌，抽滤，洗涤（7～8次），即可得到新制氢氧化铝固体。将该固体分成不作处理、烘干、风干三部分。

1.2.2  氨水浓度的配制及其pH测量

用分析纯氨水配制氨水和水体积比分别为1∶1、1∶2、1∶3的溶液，并将配制的溶液分别储存在编号为1∶1、1∶2、1∶3的试剂瓶中。用磷酸-磷酸钠的缓冲液（PBS）校正过的8205系列笔式pH计测出各个比例氨水的pH，并记录数据。

1.2.3  氢氧化铝在氨水中的溶解性实验

将学生分成4组，让A、 B、 C、 D四组同学依次分别称取上述新制的未作处理的氢氧化铝固体、在60℃下干燥2h的氢氧化铝、自然状态下风干12h的氢氧化铝和氢氧化铝（AR）0.0100g。并往制备条件不同的氢氧化铝中，分别加入

适量体积的上述配制的1∶1、1∶2、1∶3的氨水溶液，边加边搅拌，用保鲜膜将烧杯口密封，观察溶解情况，做好观察记录。

2  实验现象和结果分析

2.1  实验现象观察

所生成的以及经过不同处理情况后的氢氧化铝在不同浓度的氨水中的溶解情况示于表1中。从表1可知不论氨水的浓度如何，氢氧化铝在氨水中均无法完全溶解，氨水浓度越低其溶解性越差。表1的四组实验表明新制的未作处理的氢氧化铝在氨水中的溶解性较好，经过自然风干12小时的较差，经60℃烘干2小时后的以及药品氢氧化铝（AR）最差。

表1  氢氧化铝在氨水中的溶解情况

组别浓度1∶1    pH=12.61∶2    pH=12.51∶3    pH=12.4

A新制氢氧化铝杯底有极少量白色絮状物少量白色固体小颗粒较多白色固体小颗粒

B新制氢氧化铝经烘干2h有大量的白色固体颗粒有大量的白色固体颗粒有大量的白色固体颗粒

C新制氢氧化铝经自然风干12h少量白色固体颗粒少量白色固体颗粒有较多的白色固体颗粒

D药品氢氧化铝（AR）有大量的白色固体颗粒有大量的白色固体颗粒有大量的白色固体颗粒

2.2  理论分析

氢氧化铝与氨水的反应实际包含着多个可逆反应，具体可用如下几个离子方程式表达：

若标准平衡常数Kθ大于103，则说明反应进行得很完全，反应物都转化为生成物;若10-3

同时，可以发现同种晶型的氢氧化铝在不同温度下，K值是不一样的。K值随着温度的增加而减小，说明温度升高，反应有利于向逆反应方向移动。

除了通过分析K值，还可利用极值法计算完全溶解氢氧化铝所需氨水的浓度。利用氨水与氢氧化铝的各反应可逆方程进行理论计算，假设一升溶液中有0.1mol的氢氧化铝完全溶于浓氨水中，则[NH+4]=[Al（OH）-4]=0.1mol/L，根据K=[NH+4][Al（OH）-4][NH3·H2O]，即可算出无水氢氧化铝、三水合氢氧化铝对应消耗浓氨水的浓度。完全溶解无水氢氧化铝所需的[NH3·H2O]≥263mol/L，而浓氨水最大浓度仅为15mol/L，因此，无水氢氧化铝难溶于浓氨水中。完全溶解三水合氢氧化铝所需的[NH3·H2O]≈5×10-20mol/L，因此，三水合氢氧化铝能够完全溶解在浓氨水中。

由此可见，如果生成的氢氧化铝为三水合氢氧化铝，则很容易溶解于浓度较低的氨水中，而如果生成的氢氧化铝为无水氢氧化铝，则其在弱碱中的溶解性可以说几乎不溶解。从表1中可以看出新制的氢氧化铝在氨水的溶解性最好，经过自然风干12小时的氢氧化铝在氨水中溶解性较差，烘干后的氢氧化铝（AR）在氨水中的溶解性最差。由此可以推测新制氢氧化铝和自然风干12小时的氢氧化铝大部分应为易溶于弱碱的三水合氢氧化铝，而所制备的氢氧化铝在经过烘干后会由三水合氢氧化铝脱水生成难溶于弱碱的无水氢氧化铝。

2.3  热力学分析氢氧化铝溶解性与物相关系

晶体物质的溶解要克服其晶格能，即晶格能越大则物质越难溶解。氢氧化铝存在着三种状态，分别为结晶态的拜耳石、非晶态的氢氧化铝以及水溶液态的非电离物质Al（OH）-4，它们的标准摩尔生成焓分别为-2586.67kJ·mol-1、 -1276kJ·mol-1、 -1502.5kJ·mol-1。当物质的标准摩尔生成焓越小，表示该化合物越稳定[7]。因此，三者中最稳定的是拜耳石，Al（OH）-4次之，最不稳定的是非晶态固体Al（OH）3。因此非晶态固体Al（OH）3在碱性溶液中的溶解性最好，Al（OH）-4次之，拜耳石最差。实验结果表明新制氢氧化铝在浓氨水中溶解性最好，其物相当以非晶态为主;而在室温下自然风干12小时的氢氧化铝溶解性明显变差，在实验中观察到有较多不溶于浓氨水的白色固體小颗粒;氢氧化铝（AR）和烘干后的氢氧化铝在浓氨水中几乎不溶解，因此，可推测新制氢氧化铝经过风干尤其较高温度下烘干后会有部分转化为更加稳定的非电离物质Al（OH）-4及结晶态拜耳石。可推测自然风干的氢氧化铝主要含有非电离物质Al（OH）-4，而烘干后的和药品氢氧化铝（AR）二者主要含有拜耳石。

可将上述“氢氧化铝在氨水中的溶解性”开发为课外科技活动项目，作为课堂教学的延伸、补充和拓展。探究氢氧化铝在氨水中的溶解情况，融合了铝元素化合物、物质提纯的方法、溶液中的离子反应以及焓变等多方面的知识，帮助学生认识到氢氧化铝在一定条件下也能溶于弱碱氨水中，明白氢氧化铝的晶型、状态和氨水浓度会影响其溶解情况。总之，在学生已学元素化合物知识的基础上进行关于平衡原理的进一步学习与应用，可以帮助学生巩固旧知、拓展新知，同时可以兼顾培养学生的综合运用知识的能力、实践能力和科学探究能力，培养学生的创新意识和质疑精神。

参考文献：

[1]刘水秀. 从氢氧化铝的溶解谈中学化学素养养成[J]. 读与写（教育教学刊）， 2016， 13（09）： 154.

[2][4][5][6][7]大连理工大学无机化学教研室. 无机化学[M]. 北京： 高等教育出版社， 2006.

[3]马有成， 王英华， 来雅文. 简明分析化学[M]. 北京： 科学出版社， 2017.