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

第三章  金属及其化合物

第08讲  铝、镁及其重要化合物

【考情分析】

本讲内容在近五年高考新课标卷中共计考查6次，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】

知能点一  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

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。

知能点二   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)

(2)偏铝酸盐溶液与盐酸反应的图像

(2)突破Al(OH)3沉淀图像三个秘诀

①明晰横、纵坐标含义，然后通过曲线变化特点分析反应原理。

②掌握Al3＋、Al(OH)3、AlO三者之间的转化比例：

③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

①与Al3＋不能大量共存的(阴)离子有：OH－、AlO、HS－、SiO、CO、HCO、SO等。

②与AlO不能大量共存的(阳)离子有：H＋、Al3＋、NH、Fe2＋、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．镁的位置：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.镁的用途：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

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

智能点四  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)。