2024-2025学年高中化学专题3从矿物到基础材料第一单元第2课时铝的提取及铝的化合物学案苏教版必修1

PAGE15-第2课时铝的提取及铝的化合物一、从铝土矿中提取铝1．铝的存在铝元素是地壳中含量最多的金属元素，占地壳总量的7.73%。地壳中铝以化合态存在于铝土矿中，铝土矿的主要成分是Al2O3。2．铝的提取工艺流程有关化学反应方程式：①碱溶：Al2O3＋2NaOH=2NaAlO2＋H2O。②酸化：NaAlO2＋CO2＋2H2O=NaHCO3＋Al(OH)3↓。③灼烧：2Al(OH)3eq\o(=,\s\up17(△))Al2O3＋3H2O。④电解：2Al2O3eq\o(=,\s\up17(通电))4Al＋3O2↑。二、氧化铝1．物理性质白色固体，难溶于水，熔点很高。2．化学性质Al2O3是一种两性氧化物。Al2O3与盐酸反应的化学方程式为Al2O3＋6HCl=2AlCl3＋3H2O，离子方程式为Al2O3＋6H＋=2Al3＋＋3H2O。Al2O3与NaOH溶液反应的化学方程式为Al2O3＋2NaOH=2NaAlO2＋H2O，离子方程式为Al2O3＋2OH－=2AlOeq\o\al(－,2)＋H2O。3．用途Al2O3是冶炼铝的原料，也是一种比较好的耐火材料，可用来制造耐火坩埚、耐火管和耐高温的试验仪器等。三、氢氧化铝1．物理性质Al(OH)3是一种白色胶状的固体，几乎不溶于水，但能凝合水中的悬浮物，并能吸附色素。2．化学性质(1)Al(OH)3既能跟强酸溶液起反应，又能跟强碱溶液起反应，是一种两性氢氧化物。Al(OH)3与强酸、强碱反应的离子方程式分别为Al(OH)3＋3H＋=Al3＋＋3H2O，Al(OH)3＋OH－=AlOeq\o\al(－,2)＋2H2O。(2)Al(OH)3的热稳定性：Al(OH)3加热时易分解，反应的化学方程式为2Al(OH)3eq\o(=,\s\up17(△))Al2O3＋3H2O。3．制法试验室可以用铝盐(如硫酸铝)与氨水反应制取Al(OH)3，化学方程式为Al2(SO4)3＋6NH3·H2O=2Al(OH)3↓＋3(NH4)2SO4。4．用途(1)利用其吸附性，能凝合水中的悬浮物，可用来净水。(2)利用其碱性，可用做胃酸中和剂。四、硫酸铝钾[KAl(SO4)2]1．电离方程式为KAl(SO4)2=K＋＋Al3＋＋2SOeq\o\al(2－,4)。2．十二水合硫酸铝钾化学式为KAl(SO4)2·12H2O，俗名明矾，是一种无色晶体，易溶于水，可用做净水剂，缘由是KAl(SO4)2可与水反应生成Al(OH)3胶体，Al(OH)3可以和悬浮于水中的泥沙形成絮状不溶物沉降下来，使水澄清。2．氢氧化铝两性的应用由于氢氧化铝溶于强酸、强碱，因此为使含铝元素的盐中铝元素完全转化为氢氧化铝沉淀，应尽量避开运用强酸或强碱。通常可以用下列反应制取氢氧化铝：Al3＋＋3NH3·H2O=Al(OH)3↓＋3NHeq\o\al(＋,4)AlOeq\o\al(－,2)＋CO2＋2H2O=Al(OH)3↓＋HCOeq\o\al(－,3)3AlOeq\o\al(－,2)＋Al3＋＋6H2O=4Al(OH)3↓二、“铝三角”及其各物质间的转化1．Al3＋→Al(OH)3(1)可溶性铝盐与少量NaOH溶液反应：Al3＋＋3OH－(少量)=Al(OH)3↓(2)可溶性铝盐与氨水反应：Al3＋＋3NH3·H2O=Al(OH)3↓＋3NHeq\o\al(＋,4)2．Al(OH)3→Al3＋Al(OH)3溶于强酸溶液：Al(OH)3＋3H＋=Al3＋＋3H2O3．Al3＋→AlOeq\o\al(－,2)可溶性铝盐与过量的强碱反应：Al3＋＋4OH－(过量)=AlOeq\o\al(－,2)＋2H2O4．AlOeq\o\al(－,2)→Al3＋偏铝酸盐溶液与足量的盐酸反应：AlOeq\o\al(－,2)＋4H＋=Al3＋＋2H2O5．AlOeq\o\al(－,2)→Al(OH)3(1)偏铝酸盐溶液中加少量盐酸：AlOeq\o\al(－,2)＋H＋(少量)＋H2O=Al(OH)3↓(2)偏铝酸盐溶液中通入CO2：2AlOeq\o\al(－,2)＋CO2(少量)＋3H2O=2Al(OH)3↓＋COeq\o\al(2－,3)AlOeq\o\al(－,2)＋CO2(过量)＋2H2O=Al(OH)3↓＋HCOeq\o\al(－,3)6．Al(OH)3→AlOeq\o\al(－,2)Al(OH)3溶于强碱溶液：Al(OH)3＋OH－=AlOeq\o\al(－,2)＋2H2O1．用氨水和NaOH溶液分别与可溶性铝盐反应可以制备Al(OH)3，哪一种方法更好？提示：由于Al(OH)3能溶解在NaOH溶液中，加入NaOH溶液的量不易限制，若加入太多，则得不到Al(OH)3沉淀，若加入太少，则溶液中生成Al(OH)3的量也少。Al(OH)3不溶于氨水，反应易限制，故用氨水更好。2．能用氨水除去AlCl3溶液中少量的MgCl2吗？提示：MgCl2与氨水反应生成的Mg(OH)2沉淀也不溶于氨水，所以用氨水不能除去AlCl3溶液中少量的MgCl2。【例1】A、B、C、D、E五种化合物，均含有同种常见元素，它们的转化关系如图所示，其中A为澄清溶液，C犯难溶的白色固体，E易溶于水，若取A溶液灼烧，焰色反应为浅紫色(透过蓝色钴玻璃)。请回答下列问题：(1)写出化学式：A________，B________，C________，D________，E________。(2)写出下列反应的离子方程式：A→B：______________________________________；B→D：_______________________________________；C→E：________________________________________。【思路分析】解答此类题目，需驾驭“铝三角”之间的转化关系，能够娴熟书写这些物质间反应的化学方程式，此外还应留意以下两点：(1)Al2O3、Al(OH)3具有两性，它们可溶于强酸或强碱溶液，而不能溶于弱酸或弱碱溶液。(2)留意在不同条件下，铝元素的存在形式：强酸性条件下，Al3＋可以大量存在；强碱性条件下，AlOeq\o\al(－,2)可以大量存在；而Al(OH)3只能存在于中性或弱酸或弱碱性条件下。【解析】以物质B作为突破口，B既能与NaOH溶液反应，又能与盐酸反应，且能受热分解生成固体，故B为Al(OH)3，C为Al2O3，则D为AlCl3，E为NaAlO2，A与过量CO2反应生成B，且焰色反应为浅紫色，A为KAlO2。【答案】(1)KAlO2Al(OH)3Al2O3AlCl3NaAlO2(2)AlOeq\o\al(－,2)＋CO2＋2H2O=Al(OH)3↓＋HCOeq\o\al(－,3)Al(OH)3＋3H＋=Al3＋＋3H2OAl2O3＋2OH－=2AlOeq\o\al(－,2)＋H2O(双选)用硫酸、NaOH溶液和金属铝为原料制取Al(OH)3，甲、乙、丙三位同学制备的途径分别如下：甲：Aleq\o(→,\s\up17(H2SO4))Al2(SO4)3eq\o(→,\s\up17(NaOH))Al(OH)3乙：Aleq\o(→,\s\up17(NaOH))NaAlO2eq\o(→,\s\up17(H2SO4))Al(OH)3丙：eq\b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(Al\o(→,\s\up17(H2SO4))Al2SO43,Al\o(→,\s\up17(NaOH))NaAlO2))Al(OH)3若要得到等量的Al(OH)3，则(BD)A．三者消耗原料相同 B．甲消耗的原料最多C．乙消耗原料最少 D．丙消耗原料最少解析：假设均制取1molAl(OH)3：甲中1molAl与1.5molH2SO4反应得到0.5molAl2(SO4)3,0.5molAl2(SO4)3与3molNaOH反应得到1molAl(OH)3；乙中1molAl与1molNaOH反应得到1molNaAlO2,1molNaAlO2与0.5molH2SO4反应得到1molAl(OH)3；丙中0.25molAl与0.375molH2SO4反应得到0.125molAl2(SO4)3,0.75molAl与0.75molNaOH反应得到0.75molNaAlO2，0.125molAl2(SO4)3和0.75molNaAlO2反应可得到1molAl(OH)3。故甲消耗的原料最多，丙消耗的原料最少。a．当n(OH－)/n(Al3＋)≤3时，OH－全部反应，Al3＋剩余，反应按①式进行，m[Al(OH)3]＝26n(OH－)。b．当n(OH－)/n(Al3＋)≥4时，Al3＋全部反应，OH－剩余，反应按③式进行，m[Al(OH)3]＝0。c．当3<n(OH－)/n(Al3＋)<4时，按反应①和②式进行，m[Al(OH)3]＝[4n(Al3＋)－n(OH－)]×78。2．强酸与AlOeq\o\al(－,2)反应的定量计算规律强酸不足量时：AlOeq\o\al(－,2)＋H＋＋H2O=Al(OH)3↓①强酸足量时：Al(OH)3＋3H＋=Al3＋＋3H2O②综合上述两式可得：AlOeq\o\al(－,2)＋4H＋=Al3＋＋2H2O③结果如下：a．当eq\f(nH＋,nAlO\o\al(－,2))≤1时，H＋全部反应，AlOeq\o\al(－,2)剩余，反应按①式进行，m[Al(OH)3]＝78n(H＋)。b．当eq\f(nH＋,nAlO\o\al(－,2))≥4时，AlOeq\o\al(－,2)全部反应，H＋剩余，反应按③式进行，m[Al(OH)3]＝0。c．当1<eq\f(nH＋,nAlO\o\al(－,2))<4时，反应按①和②式进行，m[Al(OH)3]＝eq\f([4nAlO\o\al(－,2)－nH＋],3)×78。【例2】(双选)向50mL1mol·L－1的Al2(SO4)3溶液中加入100mLKOH溶液，充分反应得到3.9g沉淀，则KOH溶液的物质的量浓度可能是()A．1mol·L－1 B．3mol·L－1C．1.5mol·L－1 D．3.5mol·L－1【思路分析】解这类题时要先探讨n(Al3＋)与n[Al(OH)3]的关系，若n(Al3＋)>n[Al(OH)3]，则会有两种状况。【解析】首先写出有关反应的化学方程式，依据所给的数据找出已知量和未知量的关系。解法一：依据Al3＋的物质的量与沉淀Al(OH)3的物质的量可推想KOH的两种状况：①加入氢氧化钾不足量时，n(KOH)＝3n[Al(OH)3]＝3×eq\f(3.9g,78g·mol－1)＝0.15mol，c(KOH)＝eq\f(0.15mol,0.1L)＝1.5mol·L－1。②当KOH过量时，n(KOH)＝4n(Al3＋)－n[Al(OH)3]＝0.4mol－0.05mol＝0.35mol，c(KOH)＝eq\f(0.35mol,0.1L)＝3.5mol·L－1。解法二：用图象法求解，如图所示，当生成沉淀0.05mol时，①需KOH0.15mol；②需KOH0.35mol。故选CD。【答案】CD向含有amolAlCl3的溶液中加入含bmolKOH的溶液，生成沉淀的物质的量可能是(B)①amol②bmol③eq\f(a,3)mol④eq\f(b,3)mol⑤0mol⑥(4a－bA．①②④⑤⑥ B．①③④⑤⑥C．①②③⑤⑥ D．①③⑤解析：amolAlCl3完全转化为Al(OH)3时所需KOH的物质的量为3amol，且沉淀的物质的量最大值为amol。故①③⑤有可能出现。当b<3a时，KOH不足，此时n[Al(OH)3]＝eq\f(1,3)n(KOH)＝eq\f(b,3)mol，故④可能，②不行能；当3a<b<4a时：Al3＋＋3OH－=Al(OH)3↓amol3amolaAl(OH)3＋OH－=AlOeq\o\al(－,2)＋2H2O(b－3a)mol(b－3剩余沉淀为：amol－(b－3a)mol＝(4a－2.偏铝酸盐与酸反应的现象及图象【例3】向20mL某浓度的AlCl3溶液中滴加2mol/L的NaOH溶液时，所得的沉淀质量与加入NaOH溶液的体积之间的关系如下图所示：(1)图中A点表示的意义是_______________________。(2)最大沉淀量为________g。(3)B点表示的意义是___________________________________。(4)所用AlCl3溶液的物质的量浓度是________。(5)当所得沉淀量为0.39g时，用去NaOH溶液的体积是________mL或________mL。【思路分析】解答图象计算题，必需抓住图象的四点，(原点、交点、转折点、终点)，数形结合并运用物质的性质和化学原理，进行分析计算。【解析】本题是AlCl3与NaOH反应与图象相结合的问题，考查了大家对图象的解读实力，分析问题实力、计算实力等。本题解决的关键是明确NaOH溶液逐滴加入到AlCl3溶液中的反应状况：起先AlCl3与NaOH反应生成Al(OH)3沉淀，NaOH的量渐渐增多，Al(OH)3的量渐渐增大，当将AlCl3恰好完全沉淀时，Al(OH)3沉淀达到最大量，随后再加NaOH，沉淀量又渐渐削减直至消逝。由于A→B消耗的氢氧化钠为0.01mol，则n(AlCl3)＝0.01mol，A处生成Al(OH)30.78g，所用AlCl3的物质的量浓度为0.5mol·L－1。(5)当NaOH溶液不足时，生成0.39gAl(OH)3所需NaOH的物质的量为0.015mol，当NaOH溶液过量时，还剩余0.39gAl(OH)3共消耗NaOH0.035mol，NaOH溶液的体积分别为7.5mL和17.5mL。【答案】(1)AlCl3与NaOH恰好完全反应，得到最大沉淀量(2)0.78(3)Al(OH)3与NaOH恰好完全反应生成NaAlO2，沉淀完全溶解(4)0.5mol·L－1(5)7.517.5有一透亮溶液，可能含有Al3＋、Fe3＋、K＋、NHeq\o\al(＋,4)、Mg2＋和Cu2＋等离子中的一种或几种。现加入Na2O2粉末只有无色无味的气体放出，并同时析出白色沉淀。加入Na2O2的量与生成白色沉淀的量之间的关系用下图来表示。试推断：(1)原溶液中肯定含有Al3＋和Mg2＋。(2)肯定不含有Fe3＋、NHeq\o\al(＋,4)、Cu2＋。(3)可能含有K＋。(4)为了进一步确定可能含有的离子，应增加的试验操作为焰色反应。解析：向溶液里加入过氧化钠粉末，会发生Na2O2和H2O的反应，生成NaOH和O2。因题目中没有刺激性气味气体产生，说明原溶液中不含有NHeq\o\al(＋,4)。又因生成的沉淀是白色的，所以原溶液中不含有Fe3＋和Cu2＋。依据图中曲线的改变，表明随Na2O2的加入(即NaOH的形成)，白色沉淀渐渐增多，后来又渐渐削减，最终保持不变，说明原溶液中肯定含有Al3＋和Mg2＋。K＋可能存在，可通过焰色反应来检验。【例4】工业上用铝土矿(主要成分为Al2O3，含SiO2、Fe2O3等杂质)冶炼铝的主要流程如下：下列叙述中错误的是()A．操作Ⅰ增大NaOH溶液用量可提高Al2O3的浸取率B．操作Ⅱ、Ⅲ为过滤，操作Ⅳ为灼烧C．通入过量CO2发生反应的离子方程式为2AlOeq\o\al(－,2)＋CO2＋3H2O=2Al(OH)3↓＋COeq\o\al(2－,3)D．加入冰晶石的目的是降低Al2O3的熔融温度【思路分析】依据含铝化合物的性质、题中信息分析流程中物质间的转化状况。【解析】操作Ⅰ增大NaOH溶液用量可以使铝土矿中的氧化铝充分溶解，从而提高Al2O3的浸取率，A项正确；操作Ⅱ、Ⅲ为过滤，操作Ⅳ为灼烧，B项正确；向偏铝酸钠溶液中通入过量CO2后生成氢氧化铝沉淀和碳酸氢钠，离子方程式为AlOeq\o\al(－,2)＋CO2＋2H2O=Al(OH)3↓＋HCOeq\o\al(－,3)，C项不正确；加入冰晶石的目的是降低Al2O3的熔融温度，D项正确。【答案】C工业上用铝土矿(主要成分为Al2O3，含Fe2O3等杂质)为原料冶炼铝的工艺流程如图所示：下列对上述流程的推断中正确的是(B)A．试剂X为稀硫酸B．反应Ⅱ中生成Al(OH)3的反应为CO2＋AlOeq\o\al(－,2)＋2H2O=Al(OH)3↓＋HCOeq\o\al(－,3)C．流程中涉及反应的反应类型有复分解、分解、置换反应D．Al2O3熔点很高，工业上还可采纳电解熔融AlCl3冶炼Al解析：分别氧化铝和氧化铁，不能用酸，因为二者都可与酸反应，试剂X应为NaOH溶液，A项错误；溶液乙为偏铝酸钠溶液，Y为二氧化碳，反应Ⅱ为CO2＋AlOeq\o\al(－,2)＋2H2O=Al(OH)3↓＋HCOeq\o\al(－,3)，B项正确；流程中涉及反应的反应类型没有置换反应，C项错误；氯化铝在熔融状态下不导电，D项错误。1．下列关于铝及其化合物的说法中不正确的是(D)A．铝既可用于食品包装，也可用于建筑材料B．氧化铝既可以用来冶炼铝，也可用作耐火材料C．氢氧化铝既可以用于制备治疗胃酸过多的药物，也可用来制备一些铝盐D．明矾既能用来净水，也可用作消毒剂解析：明矾溶于水时电离出铝离子，铝离子与水反应生成的氢氧化铝胶体具有吸附性，可用作净水剂，但明矾不具有强氧化性，不能用作消毒剂，D项错误。2．欲从氯化镁固体中除去少量氯化铝杂质，可能进行下列操作：①加入过量氨水；②加入过量氢氧化钠溶液；③加入过量盐酸；④加入过量硫酸；⑤溶解；⑥过滤；⑦蒸发结晶。正确的操作依次应是(B)A．⑤①⑥③⑦ B．⑤②⑥③⑦C．⑤②⑥④⑦ D．⑤①⑥④⑦解析：取固体加水溶解后，先用过量NaOH溶液将Mg2＋和Al3＋分别转化为Mg(OH)2沉淀和AlOeq\o\al(－,2)，然后过滤得Mg(OH)2固体，再用盐酸将Mg(OH)2转化为MgCl2，最终对MgCl2溶液进行蒸发结晶得MgCl2固体。3．下列物质中既能跟稀盐酸反应，又能跟氢氧化钠溶液反应且属于两性化合物的是(A)①NaHCO3②(NH4)2S③Al2O3④Al(OH)3⑤AlA．③④ B．③④⑤C．①③④⑤ D．全部解析：题中5种物质均既能与稀盐酸反应，又能与氢氧化钠溶液反应。如NaHCO3与盐酸反应生成氯化钠、水、二氧化碳气体，与氢氧化钠溶液反应生成正盐(碳酸钠)和水；(NH4)2S与盐酸反应生成H2S气体和氯化铵，与氢氧化钠溶液反应生成硫化钠和氨水；Al2O3、Al(OH)3都是两性物质，Al在金属中也具有特别性，既能与强酸反应又能与强碱溶液反应。但是两性物质必需是既与酸反应生成盐和水，又与碱反应生成盐和水，符合条件的只有氧化铝和氢氧化铝。4．工业上用某种氧化铝矿石(含Fe2O3杂质)为原料冶炼铝的工艺流程如下图。对上述流程的推断正确的是(C)A．试剂X可以为氨水，沉淀中含有铁的化合物B．CO2可以用稀硫酸或稀盐酸代替C．反应Ⅱ的离子方程式为CO2＋AlOeq\o\al(