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    第08讲 铝、镁及其重要化合物(讲)-2022年高考化学一轮复习讲练测
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    第08讲 铝、镁及其重要化合物(讲)-2022年高考化学一轮复习讲练测

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    第三章  金属及其化合物

    08  及其重要化合物

    考情分析

    本讲内容在近五年高考新课标卷中共计考查6高考中一方面考查铝及其化合物的性质在日常生活、生产中的应用,另一方面以铝三角转化关系为载体,考查图像分析和计算能力等。

    【核心素养分析】

    1.宏观辨识与微观探析:从微观的角度认识铝、镁的原子结构理解其性质,从宏观辨识铝、镁及其化合物的性质和应用,领悟结构决定性质

    2.科学态度与社会责任:通过观察铝、镁及其化合物的反应和反应事实,了解研究事物从个别带一般的思想方法,体验研究问题寻找规律的方法,领悟可持续发展意识和绿色化学理念

    3.科学探究与创新意识:通过比较、分析铝、镁及其化合物的性质和应用,培养归纳总结能力、分析问题能力、解决问题的能力,知道两性氧化物和两性氢氧化物的特征反应。

    网络构建

    【知识梳理】

    点一  铝的性质及应用

    1.铝的结构和存在

    铝位于元素周期表第3周期ⅢA族,原子结构示意图为。铝是地壳中含量最多的金属元素。自然界中的铝全部以化合态的形式存在。

    2.金属铝的物理性质

    银白色有金属光泽的固体,有良好的延展性、导电性和导热性等,密度较小,质地柔软。

    3.金属铝的化学性质

    ①4Al+3O22Al2O3

    ②2Al+Fe2O32Fe+Al2O3

    ③2Al+6H===2Al3++3H2

    ④2Al+2OH+6H2O===2[Al(OH)4]+3H2

    4.铝热反应

    实验装置

    实验现象

    ①镁带剧烈燃烧,放出大量的热,并发出耀眼的白光,氧化铁与铝粉在较高温度下发生剧烈的反应;②纸漏斗的下部被烧穿,有熔融物落入沙中

    实验结论

    高温下,铝与氧化铁发生反应,放出大量的热:Fe2O3+2Al2Fe+Al2O3

    原理应用

    ①制取熔点较高、活动性弱于Al的金属,如铁、铬、锰、钨等,

    3MnO2+4Al3Mn+2Al2O3

    ②金属焊接,如野外焊接钢轨等

    5.铝的制备和用途

    (1)制备原理

    电解熔融Al2O3:2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑。

    【特别提醒】工业上冶炼Al用电解熔融Al2O3而不用AlCl3的原因是AlCl3是共价化合物,熔融态不导电。

    (2)铝的用途

    纯铝用作导线,铝合金用于制造汽车、飞机、生活用品等。

    【特别提醒】铝与酸或碱反应生成H2的量的关系

    2Al+6HCl===2AlCl3+3H2

    2Al+2NaOH+6H2O===2Na[Al(OH)4]+3H2

    (1)等质量的铝与足量的盐酸、氢氧化钠溶液分别反应:

    ①产生H2的物质的量相等。

    ②消耗H、OH的物质的量之比为n(H)∶n(OH)=3∶1。

    (2)足量的铝分别与等物质的量的HCl和NaOH反应:

    ①消耗Al的物质的量之比为1∶3。

    ②生成H2的物质的量之比为1∶3。

    (3)一定量的铝分别与一定量的盐酸、氢氧化钠溶液反应:

    若产生氢气的体积比为<1,则必定

    ①铝与盐酸反应时,铝过量而HCl不足。

    ②铝与氢氧化钠溶液反应时,铝不足而NaOH过量。

    易错警示】(1)常温下,能用铝制容器盛放浓硫酸、浓硝酸的原因是二者能使铝发生“钝化”,而不是铝与浓硫酸、浓硝酸不反应。

    (2)铝与稀硝酸反应时生成的气体是NO而不是H2

    (3)铝不但能与酸(H)反应,还能够与碱溶液反应,表现为特殊性。2Al+2OH+2H2O===2AlO+3H2。其反应机理应为:铝先与强碱溶液中的水反应生成H2和Al(OH)3,然后Al(OH)3再与NaOH反应生成H2O和NaAlO2,反应中铝作还原剂,水作氧化剂,NaOH无电子得失。

    (4)铝热反应是在高温状态下进行的置换反应,铝只能与排在金属活动性顺序其后的金属氧化物反应。铝不能与MgO反应,铝热反应不能用来冶炼大量的金属铁、铜等(要考虑冶炼成本)。

    (5)Mg在CO2中能够燃烧,所以活泼金属镁着火不能用干粉灭火器和泡沫灭火器灭火。同时镁与氮气反应生成Mg3N2

    点二   铝的重要化合物

    1.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

    2.氢氧化铝

    (1)物理性质:白色胶状不溶于水的固体,有较强的吸附性。

    (2)化学性质(用化学方程式表示)

    Al(OH)3的电离方程式为

    酸式电离:Al(OH)3+H2O [Al(OH)4]+H

    碱式电离:Al(OH)3Al3++3OH

    写出图中有关反应的化学方程式或离子方程式:

    ①Al(OH)3+3H===Al3++3H2O。

    ②Al(OH)3+OH===[Al(OH)4]

    ③2Al(OH)3Al2O3+3H2O。

    (3)制备

    ①向铝盐中加入氨水,离子方程式为Al3++3NH3·H2O===Al(OH)3↓+3NH

    ②NaAlO2溶液中通入足量CO2,离子方程式为AlO+CO2+2H2O===Al(OH)3↓+HCO

    ③NaAlO2溶液与AlCl3溶液混合:3AlO+Al3++6H2O===4Al(OH)3

    3.常见的铝盐

    (1)硫酸铝钾是由两种不同的金属离子和一种酸根离子组成的复盐。

    (2)明矾的化学式为KAl(SO4)2·12H2O,它是无色晶体,可溶于水,水溶液pH<(填“<”“>”或“=”)7。明矾可以净水,其净水的原理是Al3++3H2OAl(OH)3(胶体)+3H,Al(OH)3胶体吸附水中的杂质形成沉淀而净水。

    易错警示】(1)Al2O3、Al(OH)3是中学阶段接触的唯一与碱反应的金属氧化物和氢氧化物,经常应用到除杂、计算题中,所以一定要熟记这两个反应的离子方程式。

    (2)Al(OH)3具有两性,能溶于强酸(如盐酸)、强碱(如NaOH溶液),但不溶于弱酸(如H2CO3)、弱碱溶液(如氨水)。

    (3)由Al(OH)3的两式电离以及与酸和碱反应的离子方程式可知:与酸反应时相当于三元碱,与碱反应时相当于一元酸。

    (4)明矾净水只能除去水中的悬浮杂质,不能杀菌消毒,与氯气消毒原理不同。

    【方法拓展】数形结合与“铝三角”

    1.Al3+、Al(OH)3、[Al(OH)4]之间的转化关系

     (1)①Al3++3NH3·H2O===Al(OH)3↓+3NH

    ②Al3++3[Al(OH)4]===4Al(OH)3

    ③Al3++3OH===Al(OH)3

    (2)Al(OH)3+3H===Al3++3H2O

    (3)Al3++4OH===[Al(OH)4]

    (4)[Al(OH)4]+4H===Al3++4H2O

    (5)①[Al(OH)4]+CO2===Al(OH)3↓+HCO

    ②[Al(OH)4]+H===Al(OH)3↓+H2O

    (6)Al(OH)3+OH===[Al(OH)4]

    2.与Al(OH)3沉淀生成有关的图像分析

    (1)可溶性铝盐溶液与NaOH溶液反应的图像(从上述转化关系中选择符合图像变化的离子方程式,下同)

    操作

    可溶性铝盐溶液中逐滴加入NaOH溶液至过量

    NaOH溶液中逐滴加入可溶性铝盐溶液至过量

    现象

    立即产生白色沉淀→渐多→最多→渐少→消失

    无沉淀(有但即溶)→出现沉淀→渐多→最多→沉淀不消失

    图像

    方程式

    序号

    AB:(1)③

    BD:(6)

    AB:(3)

    BC:(1)②

    (2)偏铝酸盐溶液与盐酸反应的图像

    操作

    偏铝酸盐溶液中逐滴加入稀盐酸至过量

    稀盐酸中逐滴加入偏铝酸盐溶液至过量

    现象

    立即产生白色沉淀→渐多→最多→渐少→消失

    无沉淀→出现沉淀→渐多→最多→沉淀不消失

    图像

    方程式

    序号

    AB:(5)②

    BC:(2)

    AB:(4)

    BC:(1)②

    (2)突破Al(OH)3沉淀图像三个秘诀

    明晰横、纵坐标含义,然后通过曲线变化特点分析反应原理。

    掌握Al3+、Al(OH)3、AlO三者之间的转化比例:

    明晰Al3+溶液中加碱(OH)的几种常见变形图像,如:

    图A中,n(H)∶n(Al3+)=2∶1。

    图B中,若已知原溶液中含有Mg2+。则可推出:

    n(Mg2+)∶n(Al3+)=1∶1。

    图C中,若已知原溶液中含有H和Mg2+,则可推导出:n(H)∶n(Al3+)∶n(Mg2+)=2∶1∶1。

    3.铝三角的应用

    (1)选择制备Al(OH)3的最佳途径

    ①由Al3+制备Al(OH)3,宜用Al3+与氨水反应:

    Al3++3NH3·H2O===Al(OH)3↓+3NH

    ②由NaAlO2制备Al(OH)3宜用CO2与AlO反应:

    2H2O+AlO+CO2===Al(OH)3↓+HCO

    ③从节约原料角度,由Al制备Al(OH)3,宜用Al制备Al3+Al制备AlO,然后将二者混合:

    Al3++3AlO+6H2O===4Al(OH)3

    (2)有关离子共存问题

    Al3+不能大量共存的()离子有:OHAlOHSSiOCOHCOSO等。

    AlO不能大量共存的()离子有:HAl3+NHFe2+Fe3+等。

    ③AlO与HCO因发生(相对)强酸制弱酸的反应而不能共存。

    (3)分析离子反应顺序

    ①向含有Al3+、NH、H的混合溶液中逐滴加入NaOH溶液,反应顺序是:Ⅰ.H+OH===H2O;Ⅱ.Al3++3OH===Al(OH)3↓(若先与NH反应,则生成的NH3·H2O又使Al3+沉淀且生成NH);Ⅲ.NH+OH===NH3·H2O[若先溶解Al(OH)3,则产生的AlO又与NH反应生成沉淀];Ⅳ.Al(OH)3+OH===AlO+2H2O。

    ②向含有AlO、CO、OH的混合溶液中逐滴加入盐酸,反应顺序是:Ⅰ.OH+H===H2O;Ⅱ.AlO+H+H2O===Al(OH)3↓(AlO比CO先反应);Ⅲ.CO+H===HCO;Ⅳ.HCO+H===CO2↑+H2O[HCO比Al(OH)3先反应];Ⅴ.Al(OH)3+3H===Al3++3H2O。

    (4)有关Al(OH)3的计算

    1)求产物Al(OH)3的量

    ①当n(OH)≤3n(Al3+)时,n[Al(OH)3]=n(OH);

    ②当3n(Al3+)<n(OH)<4n(Al3+)时,n[Al(OH)3]=4n(Al3+)-n(OH);

    ③当n(OH)≥4n(Al3+)时,n[Al(OH)3]=0,无沉淀。

    2)求反应物碱的量

    ①若碱不足(Al3+未完全沉淀)n(OH)=3n[Al(OH)3];

    ②若碱使生成的Al(OH)3部分溶解:n(OH)=4n(Al3+)-n[Al(OH)3]。

    智能点三  镁及其应用

    1.位置:镁元素在元素周期表中位于第三周期第ⅡA族。镁是较活泼的金属,在金属活动性顺序中位于铝、锌、铁的前面。镁在化学反应中,能表现出较强的金属性,即失电子的能力强,是常用的还原剂。

    2.镁的物理性质: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、传热和延展性。

    3.镁的化学性质:

    ①与非金属反应

    镁条在O2中燃烧,发出耀眼的强光,生成白色固体物质,反应的化学方程式为2Mg+O22MgO

    镁条能与N2反应,化学方程式为3Mg+N2Mg3N2

    镁条能与Cl2反应,化学方程式为Mg+Cl2MgCl2

    ②与CO2反应:2Mg+CO22MgO+C

    ③与H2O反应:Mg+2H2OMg(OH)2+H2

    ④与H反应:Mg+2H===Mg2++H2

    注意:Mg3N2能与水剧烈反应生成Mg(OH)2沉淀,放出氨气,所以只能在干态下制取。

    4.镁用途:制造信号弹和焰火;镁合金用于制造火箭、导弹和飞机的部件;氧化镁用于制耐高温材料,冶金工业上用作还原剂和脱氧剂

    5.海水提镁

    工艺流程

    基本步骤及主要反应

    制石灰乳:化学方程式为CaCO3CaO+CO2↑、CaO+H2O===Ca(OH)2

    沉淀:化学方程式为Mg2++2OH===Mg(OH)2

    酸化:化学方程式为Mg(OH)2+2HCl===MgCl2+2H2O

    基本步骤及主要反应

    蒸发结晶:析出MgCl2·6H2O

    脱水:在氯化氢气流中使MgCl2·6H2O脱水制得无水氯化镁

    电解:电解熔融氯化镁制得镁,化学方程式为MgCl2(熔融)Mg+Cl2

    注意:①由MgCl2·6H2O到无水MgCl2,必须在HCl气流中加热,以防MgCl2水解。

    ②因镁在高温下能与O2、N2、CO2等气体发生反应,故工业电解MgCl2得到的镁,应在H2氛围中冷却。

    6.对比记忆铝、镁的化学性质

     

    与非金属反应

    能被Cl2、O2氧化

    2Mg+O22MgO  3Mg+N2Mg3N2

    与水反应

    反应很困难

    能与沸水反应 Mg+2H2OMg(OH)2+H2

    与碱反应

    能溶于强碱溶液

    不反应

    与某些氧化物反应

    能与Fe2O3、MnO2、Cr2O3等金属氧化物发生铝热反应

    能在CO2中燃烧:2Mg+CO22MgO+C

    智能点  镁的重要化合物及其应用

    1.氧化镁:碱性氧化物,熔点很高,可用作耐火材料,难溶于水,与酸反应的化学方程式:MgO+2H===Mg2++H2O还能溶于浓的铵盐溶液:MgO+2NH4===Mg2++H2O+2NH3

    2.氢氧化镁:中强碱,难溶于水,存在溶解平衡:Mg(OH)2(s)Mg2+(aq)+2OH(aq),溶解度小于碳酸镁,故碳酸镁水解生成氢氧化镁,反应的化学方程式:MgCO3+H2OMg(OH)2+CO2,氢氧化镁能溶于浓的铵盐溶液:Mg(OH)2+2NH4===Mg2+2H2O+2NH3

    3.氯化镁:MgCl2可发生水解,由MgCl2·6H2O制备MgCl2时,要在HCl的气氛中脱水。

    4.氮化镁:在水中剧烈水解,其反应的化学方程式为Mg3N2+6H2O===3Mg(OH)2+2NH3↑。

    【典例剖析】

    高频考点1  考查镁、铝的性质及应用

    例1.下列关于镁、铝的说法正确的是(  )

    A.铝制品在空气中能稳定存在是因为铝不活泼

    B.浓HNO3、浓H2SO4能用铝制器皿盛装是因为铝与浓HNO3、浓H2SO4不反应

    C.镁、铝均能与NaOH溶液反应

    D.铝与Fe2O3发生铝热反应是利用了Al的还原性比Fe强

    【变式训练关于镁、铝的叙述中不正确的是

    A.铝是较活泼的金属,能跟盐酸、稀硫酸、氢氧化钠溶液反应放出氢气

    B.镁铝合金的强度和硬度都比纯铝和纯镁大

    C.在高温下,可以用铝制的容器装运浓硫酸或浓硝酸

    D.常温下,铝能和空气里的氧气反应生成一层致密的氧化膜,从而失去光泽

    高频考点2  考查镁、铝的重要化合物的性质及其应用

    例2.下列除去杂质的方法不正确的是

    A.镁粉中混有少量铝粉:加入过量烧碱溶液充分反应,过滤、洗涤、干燥

    B.用过量氨水除去Fe3+溶液中的少量Al3+

    C.除去Na2CO3固体中少量NaHCO3置于坩埚中加热

    D.A1(OH)3中混有少量Mg(OH)2:加入足量烧碱溶液,充分反应,过滤,向滤液中通入过量CO2后过滤

    【变式训练】Al2O3与 MgO 的混合物经过量烧碱溶液处理后,过滤,向所得滤液中滴加 NaHCO3溶液,测得溶液pH和Al(OH)3生成的量随加入NaHCO3溶液体积变化的曲线如下:

    下列有关说法不正确的是(  )

    A.a点溶液中存在的离子有Na+、Al、OH-、H+

    B.b点与c点溶液中所含微粒种类相同

    C.NaHCO3溶液的物质的量浓度为0.8 mol/L

    D.生成沉淀的离子方程式为HC+Al+H2O=Al(OH)3↓+C

    高频考点3  考查有关氢氧化铝的图像分析与计算

    例3.将一定质量的镁铝合金投入100 mL一定浓度的盐酸中,合金完全溶解。向所得溶液中滴加浓度为5 mol/L的NaOH溶液,生成的沉淀跟加入的NaOH溶液的体积关系如图。(横坐标体积单位是mL,纵坐标质量单位是g)求:

     

    (1)合金中Mg的质量__________________

    (2)所用HCl的物质的量浓度__________________

    【变式训练(2020·重庆质检)向30 mL 1 mol·L-1的AlCl3溶液中逐渐加入浓度为4 mol·L-1的NaOH溶液,若产生0.78 g白色沉淀,则加入的NaOH溶液的体积可能为(  )

    A.3 mL B.7.5 mL

    C.15 mL D.17.5 mL

    高频考点4  考查镁、铝及其化合物工艺流程

    例4.(2020·重庆市凤鸣山中学高三月考)NH4Al(SO4)2是食品加工中最为快捷的食品添加剂,用于焙烤食品,工业上常用铝土矿(主要成分为Al2O3和少量SiO2、Fe2O3杂质)生产铵明矾晶体NH4Al(SO4)2•12H2O,其工艺流程图如图:

    (1)为加快铝土矿的溶解可采用的方法是__________(任写一点即可),废渣a的化学式______________

    (2)流程图中X的化学式为_______________。

    (3)反应Ⅲ的离子方程式为_________,从铵明矾溶液中获得铵明矾晶体的操作依次为________(填操作名称)、冷却结晶、过滤洗涤。

    (4)反应Ⅶ的化学方程式为______________。

    (5)向硫酸铝铵溶液中逐滴加入氢氧化钡溶液,不可能发生的离子反应是______。(填选项字母)

    A.NH+ SO+ Ba2+ + OH= BaSO4↓+ NH3·H2O

    B.2Al3+ + 3SO+ 3Ba2+ + 6OH= 3BaSO4↓+ 2Al(OH)3

    C.Al3+ + 2SO + 2Ba2+ + 4OH= 2BaSO4↓+ AlO2+ 2H2O

    D.NH+ Al3+ + 2SO+ 2Ba2+ + 4OH= 2BaSO4↓+ Al(OH)3↓+ NH3·H2O

    【变式训练】碱式碳酸镁[4MgCO3·Mg(OH)2·4H2O]是重要的无机化工产品。一种由白云石[主要成分为CaMg(CO3)2,还含少量SiO2、Fe2O3等]为原料制备碱式碳酸镁(国家标准中CaO的质量分数≤0.43%)的实验流程如下:

    (1)“煅烧”时发生主要反应的化学方程式为______________________。

    (2)常温常压下“碳化”可使镁元素转化为Mg(HCO3)2,“碳化”时终点pH对最终产品中CaO含量及碱式碳酸镁产率的影响如图1和图2所示。

    ①应控制“碳化”终点pH约为________,发生的主要反应的化学方程式为__________和___________________。

    ②图2中,当pH=10.0时,镁元素的主要存在形式是________________(写化学式)。

    (3)“热解”生成碱式碳酸镁的化学方程式为_________________________。

    (4)该工艺为达到清洁生产,可以循环利用的物质是________(写化学式)。

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

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