镁、铝及其化合物

海边晒盐后的苦卤、轻得能托起飞机的铝合金、轨道维修时迸出的白亮火花，看上去并不是同一个故事。可把镜头拉近，它们都在追问同一件事：金属失去电子以后，会以什么形态留在溶液或矿石里？镁和铝正好给出两种很有代表性的答案。

学习这一章时，不要先背一串方程式。每遇到一种试剂，先问自己两句：金属表面能不能接触到反应物？生成物会不会继续改变体系？ 这两句能帮你把“反应条件”“少量与过量”“沉淀先出现又消失”串成一条线。

镁：活泼不等于随时都猛烈

点燃一小段镁条，白光强得不能直视。你或许会顺手把它归为“很活泼，所以什么都能反应”。那为什么镁条泡在冷水里往往安静得多？关键并不矛盾：反应是否明显，还取决于温度、接触面积以及表面生成物会不会挡住反应。

先看镁的“反应开关”

镁是银白色、密度较小的金属，常制成合金用在航空航天部件中。它在常温下能和稀盐酸、稀硫酸等非氧化性稀酸较快反应：

$\mathrm{Mg+2H^+\rightarrow Mg^{2+}+H_2\uparrow}$

把镁放进冷水，反应很慢；加热到沸水附近，氢气才明显逸出，表面同时出现难溶的氢氧化镁：

$\mathrm{Mg+2H_2O\xrightarrow{\Delta}Mg(OH)_2\downarrow+H_2\uparrow}$

为什么开始有气泡后又可能变慢？难溶的 $\mathrm{Mg(OH)_2}$ 可能覆盖镁表面，阻碍镁与水继续接触。升温通常会提高反应速率，但不能据此认定覆盖层已消失；实际现象还取决于镁条表面状态。

燃烧时，镁的还原性表现得更强：

$\mathrm{2Mg+O_2\xrightarrow{点燃}2MgO}$

$\mathrm{3Mg+N_2\xrightarrow{点燃}Mg_3N_2}$

空气里既有氧气也有氮气，因此充分燃烧后的固体不宜武断地只写一种产物。更反常的是，燃着的镁甚至能夺取二氧化碳中的氧：

$\mathrm{2Mg+CO_2\xrightarrow{点燃}2MgO+C}$

这解释了一个实验安全点：燃着的镁不能用二氧化碳灭火。二氧化碳对多数可燃物是隔绝氧气的“灭火毯”，但面对高温镁，它反而能充当氧化剂。应按实验室规范用干砂覆盖或采用合适的金属火灾灭火介质，不能自行用水扑救高温金属。

先不急着翻答案。若空气中燃烧后的固体滴加足量盐酸，除了氧化镁溶解外，含氮化镁的部分会在酸性条件下转成铵盐：

$\mathrm{Mg_3N_2+8H^+\rightarrow3Mg^{2+}+2NH_4^+}$

这时不能把“氮化物遇水生成氨”的水解现象，误搬到足量强酸的体系中。请先在下面的判别器里依次比较冷水、热水和燃烧条件，再检验自己是否分清了反应条件与产物。

镁的化合物与海水提镁

$\mathrm{MgO}$ 是碱性氧化物，熔点很高，可用于耐高温材料；它与酸反应：

$\mathrm{MgO+2H^+\rightarrow Mg^{2+}+H_2O}$

$\mathrm{Mg(OH)_2}$ 是难溶碱，既可作阻燃材料，也能中和酸：

$\mathrm{Mg(OH)_2+2H^+\rightarrow Mg^{2+}+2H_2O}$

海水中有大量 $\mathrm{Mg^{2+}}$，却不能直接“电解海水”得到镁。为什么？水溶液中阴极更容易发生水的还原，且镁会与水反应；工业上需要先把镁离子富集成氯化镁，再电解熔融氯化镁。常见思路如下：

1. 煅烧贝壳或石灰石得到 $\mathrm{CaO}$，加水制成石灰乳；
2. 用石灰乳使海水中的 $\mathrm{Mg^{2+}}$ 转化为难溶的 $\mathrm{Mg(OH)_2}$；
3. 过滤后用盐酸将沉淀转为 $\mathrm{M}\mathrm{g}$，经结晶、在氯化氢气流中脱水得到无水氯化镁；

$\mathrm{MgCl_2\xrightarrow{通电，熔融}Mg+Cl_2\uparrow}$

这里的核心是“沉淀富集—转成适合电解的熔融盐”。流程题若问某一步目的，先找它改变的是溶解性、纯度，还是电解条件。

铝：一层薄膜和一条双向通道

铝在地壳中含量很高，却几乎都以化合态存在。铝原子最外层有 3 个电子，容易形成 $\mathrm{Al^{3+}}$；但日常铝制品并不会像镁一样迅速腐蚀。答案藏在表面：铝在空气中很快形成致密的氧化铝薄膜，像一层紧贴金属的透明盔甲，阻止氧气和水继续深入。

铝的反应：先问薄膜是否被除去

铝粉在氧气中燃烧可生成氧化铝：

$\mathrm{4Al+3O_2\xrightarrow{点燃}2Al_2O_3}$

打磨铝片后放入稀盐酸，可以观察到气泡：

$\mathrm{2Al+6H^+\rightarrow 2Al^{3+}+3H_2\uparrow}$

若铝片开始反应较慢，不要立刻判定“铝不与酸反应”；往往是表面氧化膜先被酸除去。常温下，铝遇浓硝酸或浓硫酸会形成更致密的保护膜，称为钝化。因此常温下可用铝制容器运输浓硝酸，但这不是说铝“永远不和浓酸反应”，更不能把这一结论搬到加热或其他条件。

铝还有一个容易出题的反应：它在强碱溶液中也放出氢气。

$\mathrm{2Al+2OH^-+6H_2O\rightarrow2[Al(OH)_4]^-+3H_2\uparrow}$

怎么理解？不要把 $\mathrm{OH^-}$ 误当成氧化剂。铝失电子，是还原剂；水中的氢得到电子形成氢气，水承担氧化剂角色。生成的铝的氢氧化物形态又被过量碱转成 $\mathrm{[Al(OH)_4]^-}$，所以反应能继续。

两性不是“既酸又碱”，而是看面对谁

$\mathrm{Al_2O_3}$ 既能与酸反应，也能与强碱反应，属于两性氧化物：

$\mathrm{Al_2O_3+6H^+\rightarrow2Al^{3+}+3H_2O}$

$\mathrm{Al_2O_3+2OH^-+3H_2O\rightarrow2[Al(OH)_4]^-}$

把它类比成一个有两扇门的中转站：遇酸，铝以 $\mathrm{Al^{3+}}$ 的形式离开；遇过量强碱，铝以 $\mathrm{[Al(OH)_4]^-}$ 的形式离开。两扇门都能打开，并不意味着任何试剂都能打开。比如 $\mathrm{A}{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_{}$ 不溶于水，也不靠氨水表现出与强碱相同的反应。

$\mathrm{Al(OH)_3}$ 是白色胶状沉淀，同样具有两性：

$\mathrm{Al(OH)_3+3H^+\rightarrow Al^{3+}+3H_2O}$

$\mathrm{Al(OH)_3+OH^-\rightarrow[Al(OH)_4]^-}$

一个实验场景最能检验你是否真正理解：向 $\mathrm{AlCl_3}$ 溶液滴加 $\mathrm{NaOH}$。开始时，$\mathrm{Al^{3+}}$ 抓住 $\mathrm{OH^-}$ 生成白色沉淀；继续滴加到过量，沉淀又被 转成偏铝酸根的水合形式而溶解。反过来，向 溶液滴加盐酸，先析出 ；盐酸过量，沉淀又溶为 。

因此，题目里的“少量”“过量”和“向谁滴加”绝不是装饰词。把滴定过程画成一段路：从 $\mathrm{Al^{3+}}$ 出发，先到沉淀，再到 $\mathrm{[Al(OH)_4]^-}$；从偏铝酸盐出发，路径正好相反。下面先选定起始溶液和滴入试剂，观察白色沉淀何时出现、何时消失，再把观察翻译成离子方程式。

例题：把“先后”写成可检验的推理

向含 $0.10\ \mathrm{mol}$ $\mathrm{AlCl_3}$ 的溶液中逐滴加入 $\mathrm{NaOH}$。什么时候沉淀最多？

易错点在哪里？很多人只记住“铝离子与氢氧根 1:3”，却忘了沉淀溶解还要额外 1 份 $\mathrm{OH^-}$。图像题中，先上升段反映生成沉淀，下降段反映沉淀溶解；斜率变化正是在提醒你反应对象已经换了。接着用下面的路线练习，从起点选择、试剂用量到终态逐步作答；每一步都先判断体系酸碱性，再落笔写方程式。

从性质到应用：净水、冶炼与铝热反应

明矾 $\mathrm{KAl(SO_4)_2\cdot12H_2O}$ 溶于水后提供 $\mathrm{Al^{3+}}$。铝离子水解产生的 胶体能吸附水中的悬浮杂质，使浑水变澄清。这是“吸附絮凝”，不是杀菌消毒；澄清的水仍需按实际用途进行后续处理。

铝土矿主要含铝的氧化物、水合氧化物等，流程题常用 $\mathrm{Al_2O_3}$ 表示其中的含铝成分。工业制铝不是用还原剂在水溶液里置换，而是在熔融冰晶石中溶解氧化铝后电解。冰晶石的作用可以理解为给高熔点的氧化铝配上一个更适合工作的“熔融溶剂”，从而降低操作温度并提高熔体导电性。

铝对氧有很强的亲和力。在高温下，铝粉能把氧化铁还原为铁：

$\mathrm{2Al+Fe_2O_3\xrightarrow{高温}Al_2O_3+2Fe}$

反应放出大量热，生成的铁处于熔融状态，可用于钢轨焊接等专业场景。这里的“铝热反应”不是家庭实验项目；高温熔融物、强光和飞溅风险都要求由受训人员在规范条件下操作。

章末自检：先判断体系，再写方程式

1. 为什么同质量铝分别与足量盐酸、足量氢氧化钠溶液反应，理论上生成氢气的量相同？

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两种反应都满足 $2\ \mathrm{mol}$ 铝生成 $3\ \mathrm{mol}$ 氢气。酸性体系中铝生成 $\mathrm{Al^{3+}}$，碱性体系中生成 $\mathrm{[Al(OH)_4]^-}$；虽然铝的最终存在形态不同，但铝从 0 价变为 +3 价时失去的电子数相同，所以还原出的氢气量相同。

2. 向 $\mathrm{NaAlO_2}$ 溶液中通入过量 $\mathrm{CO_2}$，为什么能得到 $\mathrm{Al(OH)_3}$ 沉淀，而不是继续用强酸把沉淀溶掉？

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$\mathrm{CO_2}$ 溶于水形成的酸性较弱，只足以使偏铝酸盐转为氢氧化铝沉淀：$\mathrm{[Al(OH)_4]^-+CO_2\rightarrow Al(OH)_3\downarrow+HCO_3^-}$。它不像过量强酸那样能继续把 转为 。这也是铝土矿流程常选择通入二氧化碳的一条化学依据。

3. 将燃着的镁伸入 $\mathrm{CO_2}$ 中，观察到仍能燃烧并有黑色固体。写出反应并说明黑色固体是什么。

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反应为 $\mathrm{2Mg+CO_2\xrightarrow{点燃}2MgO+C}$。黑色固体主要是碳；白色固体是氧化镁。不要因为二氧化碳常用于灭火，就忽略它在这里被镁还原的角色。

学完本章，看到“铝盐、碱、酸、少量、过量”这几个词时，先在脑中画出 $\mathrm{Al^{3+}\rightleftharpoons Al(OH)_3\rightleftharpoons[Al(OH)_4]^-}$ 这条路线；看到“镁燃烧”时，先确认气体成分和温度。方程式会随之自然落到正确的一格。