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＋3O22Al2O3②2Al＋Fe2O32Fe＋Al2O3③2Al＋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。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↓＋3NH②Al3＋＋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↓＋HCO②[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)③BD：(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)②BC：(2)AB：(4)BC：(1)②(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↓＋3NH②由NaAlO2制备Al(OH)3宜用CO2与AlO反应：2H2O＋AlO＋CO2===Al(OH)3↓＋HCO③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＋Cl2MgCl2②与CO2反应：2Mg＋CO22MgO＋C③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 铝镁与非金属反应能被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/LD.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 mLC．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·H2OB．2Al3+ + 3SO+ 3Ba2+ + 6OH— = 3BaSO4↓+ 2Al(OH)3↓C．Al3+ + 2SO + 2Ba2+ + 4OH— = 2BaSO4↓+ AlO2—+ 2H2OD．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)。