镁、铝及其化合物

铝制易拉罐在潮湿环境中放置多年也不会像铁一样生锈，镁合金制成的笔记本外壳轻薄而坚固，镁条点燃后发出耀眼白光，常用于制作照明弹——这些现象背后，是镁和铝这两种金属独特的化学性质在发挥作用。

镁和铝同属第三周期的活泼金属，却在化合物性质上各有特色。铝有一个最独特的地方：它既能和酸反应，又能和碱反应，这种“两性”特点在常见金属中独一无二，也是考试中的高频考点。

镁的性质与反应

镁（Mg）是第三周期第ⅡA族的碱土金属元素，原子序数为12。在自然界中，镁以化合物形式广泛存在，如菱镁矿（$\text{MgCO}_3$）、白云石（$\text{CaMg(CO}_3)_2$）以及海水中溶解的氯化镁。

镁是一种银白色金属，外观有金属光泽，质地比钠硬得多，但仍属于较轻的金属材料。

镁与氧气的反应

点燃镁条，会发出极为耀眼的白色强光，生成白色固体氧化镁（$\text{MgO}$）：

$2\text{Mg} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2\text{MgO}$

镁燃烧时温度极高，甚至可以在 $\text{CO}_2$ 中继续燃烧——这是镁区别于其他金属的重要特征：

$2\text{Mg} + \text{CO}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2\text{MgO} + \text{C}$

镁与水、酸的反应

镁与冷水反应极慢，几乎观察不到气泡；但与热水反应明显加快：

$\text{Mg} + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\Delta} \text{Mg(OH)}_2 + \text{H}_2\uparrow$

镁与稀盐酸反应较为剧烈，溶液中迅速产生大量气泡：

$\text{Mg} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{MgCl}_2 + \text{H}_2\uparrow$

例题 1

为什么镁条能用于制作照明弹和焰火，而钠不能？

镁燃烧时放热量大，温度极高，发出耀眼的白色强光，且产物 $\text{MgO}$ 是无毒固体，性质稳定，使用安全。钠的熔点和沸点极低，反应放热会使液态钠飞溅，且钠遇到空气中的水分反应剧烈，储存和使用风险极大，因此无法作为照明材料。

铝的物理性质

铝（Al）是第三周期第ⅢA族元素，原子序数为13，是地壳中含量最多的金属元素，约占地壳质量的 $7.7\%$。

铝的密度小、导热性好、延展性强，被广泛用于制造飞机机身、饮料易拉罐、导线和食品包装材料。

铝在空气中与氧气反应，在表面形成一层致密的氧化铝（$\text{Al}_2\text{O}_3$）薄膜：

$4\text{Al} + 3\text{O}_2 \rightarrow 2\text{Al}_2\text{O}_3$

这层氧化膜紧密附着在铝的表面，阻止内部铝继续被氧化，起到天然的保护作用——这正是铝制品耐腐蚀、不易生锈的根本原因。

铝与酸和碱的反应

铝最特殊的化学性质，是它既能与酸反应，又能与强碱反应，这种性质称为两性。大多数金属只能与酸反应，铝与碱的反应在金属中极为罕见。

铝与酸的反应

铝与稀盐酸或稀硫酸反应，溶于酸中并放出氢气：

$2\text{Al} + 6\text{HCl} \rightarrow 2\text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2\uparrow$

$2\text{Al} + 3\text{H}_2\text{SO}_4\text{（稀）} \rightarrow \text{Al}_2(\text{SO}_4)_3 + 3\text{H}_2\uparrow$

铝与碱的反应

铝与 $\text{NaOH}$ 溶液反应，生成偏铝酸钠（$\text{NaAlO}_2$）和氢气，且水参与反应不可省略：

$2\text{Al} + 2\text{NaOH} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaAlO}_2 + 3\text{H}_2\uparrow$

铝的钝化现象

铝在常温下遇到浓硝酸或浓硫酸时，会在表面迅速生成致密的氧化膜，这层膜阻止反应继续进行——这种现象叫做钝化。正因如此，工业上可以用铝罐储存浓硝酸。

例题 2

将铝片分别加入以下溶液中，哪些情况会有气泡产生？

（A）稀盐酸　　（B）$\text{NaOH}$ 溶液　　（C）浓硝酸　　（D）纯水

A 和 B 会产生气泡，均生成 $\text{H}_2$。

C 中铝在浓硝酸中发生钝化，常温下不反应，无气泡。

D 中铝表面有致密氧化膜，与纯水几乎不反应，无气泡。

答：A 和 B 有气泡产生。

氧化铝的性质

氧化铝（$\text{Al}_2\text{O}_3$）是铝在空气中被氧化生成的产物，白色固体，熔点极高（约 $2054\ ^\circ\text{C}$），硬度仅次于金刚石。

氧化铝同样具有两性，既能与酸反应，又能与碱反应：

与酸反应（以盐酸为例）：

$\text{Al}_2\text{O}_3 + 6\text{HCl} \rightarrow 2\text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$

与碱反应（以 $\text{NaOH}$ 溶液为例）：

$\text{Al}_2\text{O}_3 + 2\text{NaOH} \rightarrow 2\text{NaAlO}_2 + \text{H}_2\text{O}$

例题 3

向含有 $\text{NaAlO}_2$ 的溶液中通入过量 $\text{CO}_2$，观察到什么现象？写出反应方程式。

通入 $\text{CO}_2$ 后，溶液中出现白色沉淀。原因是 $\text{CO}_2$ 与水反应生成碳酸，碳酸使偏铝酸根水解，生成白色沉淀 $\text{Al(OH)}_3$：

$$

氢氧化铝的性质

氢氧化铝（$\text{Al(OH)}_3$）是一种白色胶状沉淀，在实验室中常用铝盐溶液与氨水混合来制备：

$\text{AlCl}_3 + 3\text{NH}_3\cdot\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Al(OH)}_3\downarrow + 3\text{NH}_4\text{Cl}$

$\text{Al(OH)}_3$ 同样具有两性，与酸或碱均能反应：

与酸反应（溶于酸）：

$\text{Al(OH)}_3 + 3\text{HCl} \rightarrow \text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$

与碱反应（溶于强碱）：

$\text{Al(OH)}_3 + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaAlO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$

受热分解：

加热时，$\text{Al(OH)}_3$ 分解生成氧化铝和水：

$2\text{Al(OH)}_3 \xrightarrow{\Delta} \text{Al}_2\text{O}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$

$\text{Al(OH)}_3$ 能与盐酸发生中和反应，医学上常用含 $\text{Al(OH)}_3$ 成分的胃药来缓解胃酸过多引起的不适：

$\text{Al(OH)}_3 + 3\text{HCl} \rightarrow \text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$

例题 4

向 $\text{AlCl}_3$ 溶液中逐滴加入 $\text{NaOH}$ 溶液至过量，描述沉淀的变化过程，并写出关键方程式。

开始阶段：加入少量 $\text{NaOH}$，溶液中逐渐出现白色沉淀，沉淀量随 $\text{NaOH}$ 的增加而增多：

$\text{AlCl}_3 + 3\text{NaOH} \rightarrow \text{Al(OH)}_3\downarrow + 3\text{NaCl}$

铝热反应

铝有一个在工业上极具价值的性质：在高温下，铝能将某些金属氧化物中的金属还原出来，同时放出大量热量，这类反应统称为铝热反应。

以氧化铁与铝的反应为例：

$2\text{Al} + \text{Fe}_2\text{O}_3 \xrightarrow{\text{高温}} \text{Al}_2\text{O}_3 + 2\text{Fe}$

这个反应放热剧烈，局部温度可达 $3000\ ^\circ\text{C}$ 以上，足以将生成的铁熔化成液态铁水，直接流入需要焊接的缝隙。工业上将这一原理用于野外铁轨的焊接，无需外部电源，称为“铝热焊接”。

铝热反应的实质是铝作为还原剂，将活泼性不如铝的金属从其氧化物中还原出来：

例题 5

铝热反应中，$2\text{Al} + \text{Fe}_2\text{O}_3 \xrightarrow{\text{高温}} \text{Al}_2\text{O}_3 + 2\text{Fe}$，哪种物质是氧化剂，哪种是还原剂？

铝（Al）从 $0$ 价升高到 $+3$ 价，化合价升高，被氧化，是还原剂。

$\text{Fe}_2\text{O}_3$ 中铁从 $+3$ 价降低到 $0$ 价，化合价降低，被还原，是。

镁、铝化合物的转化关系

掌握铝的各种化合物之间的转化规律，是解决铝化合物相关计算题的基础。

例题 6

向 $\text{NaAlO}_2$ 溶液中，逐滴加入稀盐酸至过量，描述沉淀的变化过程。

开始阶段：加入少量盐酸，$\text{H}^+$ 与 $\text{AlO}_2^-$ 反应，生成白色沉淀 $\text{Al(OH)}_3$，沉淀量不断增加：

$$

练习题

第1题

下列关于铝的性质说法中，正确的是（　　）

A. 铝是地壳中含量最多的元素

B. 铝在常温下与浓硝酸不反应，说明铝不活泼

C. 铝既能与盐酸反应，又能与 $\text{NaOH}$ 溶液反应，体现了铝的两性

D. 铝制品不生锈，说明铝不能被氧化

第2题

向 $\text{AlCl}_3$ 溶液中逐滴加入 $\text{NaOH}$ 溶液至过量，下列描述沉淀变化正确的是（　　）

A. 沉淀量先增多后不变

B. 沉淀量一直增多直至不再变化

C. 沉淀量先增多，$\text{NaOH}$ 过量后沉淀减少至消失

D. 沉淀量一直不变

第3题

以下关于铝热反应的描述，错误的是（　　）

A. 铝热反应的实质是铝将活泼性不如铝的金属从氧化物中还原出来

B. 铝热反应可用于野外焊接铁轨

C. $\text{MgO}$ 和铝可以发生铝热反应

D. 铝热反应属于氧化还原反应

第4题

向 $\text{NaAlO}_2$ 溶液中通入过量 $\text{CO}_2$，下列说法正确的是（　　）

A. 无明显现象，溶液保持澄清

B. 生成白色沉淀，沉淀不溶于过量稀盐酸

C. 生成白色沉淀 $\text{Al(OH)}_3$，继续通入 $\text{CO}_2$ 沉淀不消失

D. 先出现白色沉淀，继续通入 $\text{CO}_2$ 后沉淀消失

第5题（计算题）

将 $5.4\ \text{g}$ 铝片投入足量 $\text{NaOH}$ 溶液中，充分反应后，求：

（1）生成 $\text{H}_2$ 在标准状况下的体积；

（2）生成 $\text{NaAlO}_2$ 的物质的量。

第6题（计算题）

向 $100\ \text{mL}$ 浓度为 $1\ \text{mol/L}$ 的 $\text{AlCl}_3$ 溶液中，逐滴加入浓度为 $1\ \text{mol/L}$ 的 $\text{NaOH}$ 溶液。

（1）若加入 $\text{NaOH}$ 溶液 $300\ \text{mL}$，此时溶液中沉淀的物质的量为多少？

（2）若最终沉淀恰好完全溶解，需加入 $\text{NaOH}$ 溶液多少毫升？

注意：$\text{CO}_2$ 是弱酸，能使 $\text{AlO}_2^-$ 水解为 $\text{Al(OH)}_3$，但酸性不足以溶解 $\text{Al(OH)}_3$，因此沉淀持续存在，继续通入 $\text{CO}_2$ 沉淀也不消失。

后续阶段：$\text{NaOH}$ 继续增加至过量，白色沉淀开始逐渐溶解，最终溶液变澄清：

$\text{Al(OH)}_3 + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaAlO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$

总结：沉淀先增多后减少，最终完全消失。

该反应是典型的氧化还原反应，铝热反应的本质就是铝将铁氧化物中的铁“抢”回来。

后续阶段：盐酸继续增加至过量，$\text{Al(OH)}_3$ 与多余盐酸反应溶解，沉淀减少直至消失：

$\text{Al(OH)}_3 + 3\text{HCl} \rightarrow \text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$

总结：与向 $\text{AlCl}_3$ 中加 $\text{NaOH}$ 的情况相反，这里沉淀同样是先增多后减少，最终消失。

当 $\text{NaOH}$ 过量时，$\text{Al(OH)}_3$ 与多余的 $\text{NaOH}$ 继续反应，沉淀溶解：

$\text{Al(OH)}_3 + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaAlO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$

因此沉淀先增多后减少，最终完全消失，溶液澄清。

知识点：Al(OH)₃ 的两性与沉淀的溶解

继续通入过量 $\text{CO}_2$，沉淀不消失，因为 $\text{CO}_2$ 是弱酸，酸性不足以溶解 $\text{Al(OH)}_3$（溶解 $\text{Al(OH)}_3$ 需要强酸如盐酸）。

B 错误：$\text{Al(OH)}_3$ 能溶于稀盐酸，$\text{Al(OH)}_3 + 3\text{HCl} \rightarrow \text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$，沉淀会消失。

知识点：偏铝酸钠与 CO₂ 的反应及 Al(OH)₃ 的两性

反应方程式：

$2\text{Al} + 2\text{NaOH} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaAlO}_2 + 3\text{H}_2\uparrow$

（1）由方程式计量关系（$\text{Al} : \text{H}_2 = 2 : 3$）：

$n(\text{H}_2) = \frac{3}{2} \times n(\text{Al}) = \frac{3}{2} \times 0.2\ \text{mol} = 0.3\ \text{mol}$

$V(\text{H}_2) = 0.3\ \text{mol} \times 22.4\ \text{L/mol} = 6.72\ \text{L}$

（2）由方程式计量关系（$\text{Al} : \text{NaAlO}_2 = 1 : 1$）：

$n(\text{NaAlO}_2) = n(\text{Al}) = 0.2\ \text{mol}$

答：生成 $\text{H}_2$ 在标准状况下的体积为 $6.72\ \text{L}$，生成 $\text{NaAlO}_2$ 的物质的量为 $0.2\ \text{mol}$。

知识点：铝与碱反应的定量计算

（1）加入 $\text{NaOH}$ 溶液 $300\ \text{mL}$：

$n(\text{NaOH}) = 0.3\ \text{L} \times 1\ \text{mol/L} = 0.3\ \text{mol}$

先生成 $\text{Al(OH)}_3$，将 $0.1\ \text{mol}$ $\text{Al}^{3+}$ 全部沉淀需要 $\text{NaOH}$：

$3 \times 0.1\ \text{mol} = 0.3\ \text{mol}$

$\text{Al}^{3+} + 3\text{OH}^- \rightarrow \text{Al(OH)}_3\downarrow$

$0.3\ \text{mol}$ $\text{NaOH}$ 恰好全部用于生成 $\text{Al(OH)}_3$，此时 $\text{NaOH}$ 不过量，沉淀不溶解：

$n(\text{Al(OH)}_3) = n(\text{Al}^{3+}) = 0.1\ \text{mol}$

（2）沉淀恰好完全溶解所需 $\text{NaOH}$ 的体积：

第一步：将所有 $\text{Al}^{3+}$ 沉淀为 $\text{Al(OH)}_3$，需 $\text{NaOH}$：$3 \times 0.1 = 0.3\ \text{mol}$

第二步：将 $0.1\ \text{mol}$ $\text{Al(OH)}_3$ 全部溶解，还需 $\text{NaOH}$：

$\text{Al(OH)}_3 + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaAlO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$

$n(\text{NaOH}) = n(\text{Al(OH)}_3) = 0.1\ \text{mol}$

总共需要 $\text{NaOH}$：$0.3 + 0.1 = 0.4\ \text{mol}$

$V(\text{NaOH}) = \frac{0.4\ \text{mol}}{1\ \text{mol/L}} = 0.4\ \text{L} = 400\ \text{mL}$

答：（1）沉淀的物质的量为 $0.1\ \text{mol}$；（2）需加入 $400\ \text{mL}$ $\text{NaOH}$ 溶液。

知识点：Al(OH)₃ 生成与溶解的定量计算