100個高中化學關於鋁元素的核心知識點。這些內容涵蓋了鋁的原子結構、單質性質、重要化合物、冶煉原理、實驗現象以及應用等各個方面。
模塊一：鋁的原子結構與單質物理性質
- 元素符號：鋁
- 原子序數：13
- 在周期表中的位置：第三週期，第IIIA族（硼族）
- 原子結構示意圖：(+13) 2 8 3
- 電子排布式：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹ 或 [Ne] 3s² 3p¹
- 常見化合價：+3價
- 晶體結構：金屬晶體，面心立方堆積。
- 顏色與狀態：銀白色金屬固體。
- 密度：較小（約2.7 g/cm³），屬於輕金屬。
- 電導率：良好，僅次於金、銀、銅。
- 導熱性：良好。
- 延展性：良好，可拉成絲、壓成箔。
- 熔點：較低，約660℃。
- 沸點：約2467℃。
模塊二：鋁單質的化學性質（重點）
（一）與氧氣的反應（鈍化現象）
- 常溫下，鋁與空氣中的氧氣反應，生成一層緻密的氧化鋁（Al₂O₃）保護膜。
- 該保護膜能阻止鋁被進一步氧化，此現象稱為“放慢速度”。
- 在純氧中或高溫下，鋁能劇烈燃燒，發出耀眼白光，生成氧化鋁：4Al + 3O₂ ==點燃== 2Al₂O₃。
（二）與酸的反應
- 與稀鹽酸、稀硫酸等非氧化性酸：反應生成氫氣。 2Al + 6H⁺ == 2Al3⁺ + 3H2↑
- 在常溫下，遇濃硫酸、濃硝酸會發生放慢速度，故可用鋁製容器儲運濃硫酸、濃硝酸。
- 鈍化膜能被加熱或某些陰離子（如Cl⁻）破壞。
（三）與強鹼溶液的反應（兩性金屬的體現）
- 鋁能與強鹼（如氫氧化鈉、氫氧化鉀）溶液反應生成氫氣。
- 反應分兩步： 氧化膜被溶解：Al2O₃ + 2OH⁻ == 2AlO2⁻ + H2O 鋁與水反應：2Al+6H2O==2鋁(OH)₃ + 3H2↑ 生成的Al(OH)₃是兩性氫氧化物，繼續與鹼反應：Al(OH)₃ + OH⁻ == AlO2⁻ + 2H2O
- 總反應方程式：2Al+2NaOH+6H2O==2NaAlO2+4H2O+3H2↑ （NaAlO2為偏鋁酸鈉）
- 簡化離子方程式：2Al + 2OH⁻ + 6H2O == 2AlO2⁻ + 3H2↑ + 4H2O 或 2Al + 2OH⁻ + 2H2O == 2AlO2⁻ + 3H2↑
（四）與某些金屬氧化物的反應（鋁熱反應）
- 鋁粉與某些金屬氧化物（如Fe₂O₃, V₂O₅, Cr₂O₃, MnO₂等）的劇烈反應。
- 反應特點：放出大量的熱，使生成的金屬呈熔融狀態。
- 鋁熱反應的典型方程式：8Al + 3Fe₃O₄ ==高溫== 9Fe + 4Al2O₃ （最常用） 2Al + Fe₂O₃ ==高溫== 2Fe + Al₂O₃
- 應用：焊接鋼軌、冶煉高熔點金屬（如釩、鉻、錳）。
（五）與水的反應
- 由於表面氧化膜的存在，常溫下鋁與水幾乎不反應。
- 除去氧化膜後（如用Hg²⁺鹽處理），鋁與水迅速反應生成氫氣。
（六）與某些鹽溶液的反應
- 能與不活潑金屬的鹽溶液發生置換反應，如：2Al + 3Cu2⁺ == 2Al3⁺ + 3Cu。
模塊三：鋁的重要化合物
（一）氧化鋁（Al₂O₃）
- 物理性質：白色固體，熔點高（2054℃），硬度大（俗稱剛玉）。
- 化學性質：兩性氧化物。
- 與強酸反應：Al2O₃ + 6H⁺ == 2Al3⁺ + 3H2O
- 與強鹼反應：Al2O₃ + 2OH⁻ == 2AlO2⁻ + H2O
- 天然存在形式：剛玉（紅寶石含Cr³⁺，藍寶石含Fe²⁺、Ti⁴⁺）。
- 用途：耐火材料、耐磨材料、人造寶石、電解冶煉鋁的原料。
（二）氫氧化鋁（鋁（OH）₃）
- 物理性質：白色膠狀沉澱。
- 化學性質：兩性氫氧化物。
- 與酸反應（體現鹼性）：Al(OH)₃ + 3H⁺ == Al3⁺ + 3H2O
- 與強鹼反應（體現酸性）：Al(OH)₃ + OH⁻ == AlO2⁻ + 2H2O
- 熱不穩定性：受熱易分解：2Al(OH)₃ ==△== Al2O₃ + 3H2O
- 製備：實驗室常用鋁鹽與氨水反應：Al3⁺ + 3NH₃·H2O == Al(OH)₃↓ + 3NH₄⁺（因為Al(OH)₃不溶於弱鹼，此方法可製得純凈的Al(OH)₃）
- 用途：胃藥（中和胃酸）、凈水劑（膠體具有吸附性）。
（三）鋁鹽
1. 硫酸鋁（Al2(SO₄)₃）
- 易溶於水，發生水解使溶液呈酸性：Al³⁺ + 3H₂O ⇌ Al(OH)₃（膠體） + 3H⁺
- 與可溶性碳酸鹽/碳酸氫鹽發生雙水解反應： 2Al3⁺ + 3CO₃²⁻ + 3H2O == 2Al(OH)₃↓ + 3CO2↑ Al3⁺ + 3HCO₃⁻ == Al(OH)₃↓ + 3CO2↑
- 與可溶性硫化事物發生雙水解：2Al3⁺ + 3S2⁻ + 6H2O == 2Al(OH)₃↓ + 3H2S↑
- 用途：凈水劑（利用水解產生的Al(OH)₃膠體吸附懸浮物）。
2. 明礬（KAl(SO₄)2·12H2O）
- 化學式：KAl(SO₄)₂·12H₂O，屬於復鹽。
- 復鹽定義：由兩種不同的金屬離子和一種酸根離子組成的鹽，溶於水能解離出所有簡單離子。
- 電離方程式：KAl(SO₄)2 == K⁺ + Al3⁺ + 2SO₄²⁻
- 水溶液性質與硫酸鋁相似，因Al³⁺水解而顯酸性。
- 用途：凈水劑、食品膨鬆劑。
3. 氯化鋁（AlCl₃）
- 共價化合物，熔點較低，易升華。
- 無水AlCl₃在有機合成中常用作催化劑（如傅-克反應）。
- 易潮解，並劇烈水解。
（四）偏鋁酸鹽（如NaAlO₂）
- 偏鋁酸根離子：AlO₂⁻。
- 與酸反應： 向偏鋁酸鹽中滴加少量稀鹽酸：AlO2⁻ + H⁺ + H2O == Al(OH)₃↓ 繼續滴加過量鹽酸，沉澱溶解：Al(OH)₃ + 3H⁺ == Al3⁺ + 3H2O
- 與CO₂反應（重要！）： AlO₂⁻ + CO₂(過量) + 2H₂O == Al(OH)₃↓ + HCO₃⁻ （常用） 2AlO₂⁻ + CO₂(少量) + 3H₂O == 2Al(OH)₃↓ + CO₃²⁻
- 與鋁鹽反應：Al3⁺ + 3AlO2⁻ + 6H2O == 4Al(OH)₃↓
模塊四：鋁的冶煉與存在
（一）存在
- 鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素（僅次於氧和硅）。
- 自然界中以化合態存在，主要礦物是鋁土礦（Al2O₃·xH2O），含少量鐵₂O₃和SiO₂等雜質。
（二）冶煉（霍爾-埃魯法）
- 原料：純凈的氧化鋁。
- 助熔劑：冰晶石（Na₃AlF₆），用於降低氧化鋁的熔點。
- 反應原理：電解熔融的氧化鋁。
- 設備：電解槽，陽極是碳棒，陰極是電解槽壁（碳素材料）。
- 主要反應： 陰極（得到電子）：Al3⁺ + 3e⁻ == Al（還原反應） 陽極（失去電子）：2O²⁻ – 4e⁻ == O2↑（氧化反應）
- 總反應式：2Al₂O₃(熔融) ==通電，冰晶石== 4Al + 3O₂↑
- 注意：陽極碳棒會與生成的氧氣反應消耗：C + O2 == CO2，故需定期更換。
模塊五：鋁及其化合物的相互轉化關係（“鋁三角”）
這是高中化學的核心圖像，必須熟練掌握。
- “鋁三角” 指 Al³⁺、Al(OH)₃、AlO₂⁻ 三者之間的相互轉化關係。
71. Al3⁺ → Al(OH)₃
- 途徑：加適量鹼（OH⁻）或氨水。
- 離子方程式：Al3⁺ + 3OH⁻ == Al(OH)₃↓ 或 Al3⁺ + 3NH₃·H2O == Al(OH)₃↓ + 3NH₄⁺
72. Al(OH)₃→Al3⁺
- 途徑：加強酸。
- 離子方程式：Al(OH)₃ + 3H⁺ == Al3⁺ + 3H2O
73. Al(OH)₃→AlO2⁻
- 途徑：加強鹼。
- 離子方程式：Al(OH)₃ + OH⁻ == AlO2⁻ + 2H2O
74. AlO2⁻ → Al(OH)₃
- 途徑：通入足量CO₂或加少量酸。
- 離子方程式：AlO2⁂ +2H2 + 2H2O== Al(OH)₃+CCO₃ + HCO₃
75. AlO2⁻ → Al3⁺
- 途徑：加強酸（需過量）。
- 離子方程式：AlO2⁻ + 4H⁺ == Al3⁺ + 2H2O
76. Al3⁺ → AlO2⁻
- 途徑：加強鹼（需過量）。
- 離子方程式：Al3⁺ + 4OH⁻ == AlO2⁻ + 2H2O
模塊六：重要實驗現象與離子檢驗
- 向AlCl₃溶液中滴加NaOH溶液：先產生白色膠狀沉澱，後沉澱溶解。
- 向NaOH溶液中滴加AlCl₃溶液：開始無明顯現象（因生成AlO₂⁻），後產生白色沉澱，且沉澱不溶解。
- 向NaAlO₂溶液中通入CO₂：產生白色膠狀沉澱。
- 向NaAlO₂溶液中滴加稀鹽酸：先產生白色沉澱，後沉澱溶解。
- Al³⁺的檢驗：滴加NaOH溶液，產生白色沉澱，且沉澱能溶於過量NaOH溶液。
- 更可靠的Al³⁺檢驗：先加過量氨水，生成白色沉澱（Al(OH)₃），該沉澱不溶於氨水，但能溶於強鹼。
模塊七：綜合應用與易錯點
- 鋁熱劑：鋁粉和金屬氧化物的混合物。
- 鎂條和氯酸鉀的作用：提供高溫引燃。
- 不能用氧化鋁坩堝熔融NaOH、Na₂CO₃等鹼性物質，因Al₂O₃會與它們反應。
- 泡沫滅火器原理：利用Al₂(SO₄)₃溶液和NaHCO₃溶液混合，發生雙水解產生CO₂和Al(OH)₃泡沫。
- 實驗室製備Al(OH)₃宜用鋁鹽與氨水反應，而不用鋁鹽與強鹼，因強鹼用量不易控制。
- 明礬凈水原理：Al³⁺水解生成Al(OH)₃膠體，吸附水中懸浮顆粒並沉降。
- 鋁製品不宜長期存放酸性、鹼性或鹹的食物，防止保護膜被破壞後繼續反應。
- 鋁的合金：質輕、強度高、耐腐蝕，廣泛應用於航空、汽車、日用品。
- 氧化鋁的多種晶型：α-Al₂O₃（穩定，剛玉）、γ-Al₂O₃（活性氧化鋁，催化劑載體）。
- 鋁是活潑金屬，但抗腐蝕性強，原因在於其表面的氧化膜。
- 區分“兩性”和“既能與酸又能與鹼反應”的物質，如Al、Al₂O₃、Al(OH)₃是兩性，而NaHCO₃等不是兩性。
- 鋁鹽溶液蒸干灼燒後得到Al₂O₃，因為Al³⁺水解生成Al(OH)₃，灼燒分解為Al₂O₃。
- 偏鋁酸鹽溶液蒸幹得到NaAlO₂，但若在空氣中長時間放置會吸收CO₂生成Al(OH)₃。
- Al³⁺與OH⁻、CO₃²⁻、S²⁻、AlO₂⁻等因發生雙水解或生成沉澱而不能大量共存。
- AlO₂⁻與H⁺、NH₄⁺、Al³⁺、Fe³⁺等因反應而不能大量共存。
- 理解圖像題：如向含Al³⁺、Mg²⁺的溶液中滴加NaOH溶液，沉澱量的變化曲線。
- 計算題：涉及鋁與酸、鹼反應生成H₂的定量關係，注意討論過量問題。
- 工業的提純鋁土礦（除雜Fe₂O₃、二氧化矽）的原理（鹼溶法）。
希望這份詳盡的知識點梳理能幫助你構建起關於鋁元素的完整知識體系！建議你結合“鋁三角”關係圖進行理解和記憶，並通過練習來鞏固。