铝单质与铝热反应

概览

铝（$\ce{Al}$）是地壳中含量最多的金属元素，也是典型的两性金属——既能与酸反应，又能与强碱反应。本笔记重点：铝的物理性质、与氧气/酸/强碱的反应、常温钝化，以及铝热反应的原理与应用。铝热反应是高考必考点，考查方程式书写与用途。

核心概念

铝的原子结构与位置

• 原子序数 13，位于第三周期第ⅢA族。
• 原子结构示意图：$1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^1$，最外层 3 个电子，反应中易失去形成 $\ce{Al^{3+}}$。
• 地壳中含量最多的金属元素（含量最多的元素是氧）。

物理性质

• 银白色金属，密度小（$2.7\ \ce{g/cm^3}$），熔点较低（约 $660\ \degree\ce{C}$）。
• 导电性、导热性强，仅次于银、铜，可用于电线电缆。
• 延展性好，可制成铝箔；纯铝较软，实际多用铝合金。

重点知识：化学性质

铝是较活泼的金属（金属活动性顺序在 $\ce{Mg}$与$\ce{Zn}$ 之间），还原性强，但因其两性而特殊。

1. 与非金属反应

• 与氧气：$4\ce{Al} + 3\ce{O2} -> 2\ce{Al2O3}$。常温下表面迅速生成致密氧化膜，阻止内部铝继续被氧化，故铝有良好的抗腐蚀性能。
• 铝箔在氧气中点燃：剧烈燃烧，发出耀眼白光，生成 $\ce{Al2O3}$。
• 与氯气：$2\ce{Al} + 3\ce{Cl2} \xrightarrow{\Delta} 2\ce{AlCl3}$（固体氯化铝）。
• 与硫：$2\ce{Al} + 3\ce{S} \xrightarrow{\Delta} \ce{Al2S3}$。

致密氧化膜的意义

铝表面致密的 $\ce{Al2O3}$ 薄膜使铝在空气中稳定，这是铝比铁"耐腐蚀"的根本原因（$\ce{Fe2O3}$ 膜疏松多孔，不能保护内部）。

2. 与酸反应

• 与盐酸：$2\ce{Al} + 6\ce{HCl} -> 2\ce{AlCl3} + 3\ce{H2 ^}$
• 离子方程式：$2\ce{Al} + 6\ce{H+} -> 2\ce{Al^{3+}} + 3\ce{H2 ^}$
• 与稀硫酸类似：$2\ce{Al} + 3\ce{H2SO4} -> \ce{Al2(SO4)3} + 3\ce{H2 ^}$
• 与稀硝酸：$\ce{Al + 4HNO3(稀) -> Al(NO3)3 + NO ^ + 2H2O}$
• 常温钝化：与浓硫酸、浓硝酸常温下不反应（表面生成致密氧化膜）。

钝化也是化学变化

常温下铝遇浓硫酸、浓硝酸发生"钝化"，是化学变化（生成致密 $\ce{Al2O3}$ 膜），不是不反应。因此可用铝制容器储运浓硝酸、浓硫酸。但加热时反应剧烈。

3. 与强碱反应（两性的体现）

• 与氢氧化钠溶液：$2\ce{Al} + 2\ce{NaOH} + 2\ce{H2O} -> 2\ce{NaAlO2} + 3\ce{H2 ^}$
• 离子方程式：$2\ce{Al} + 2\ce{OH^-} + 2\ce{H2O} -> 2\ce{AlO2^-} + 3\ce{H2 ^}$

铝与碱反应"水"参与

铝与强碱溶液反应，水是反应物，产物是偏铝酸盐和氢气，不是"氢氧化铝"。氧化剂是水（$\ce{H+}$ 来自水），$\ce{Al}$把水中$\ce{H+}$还原为$\ce{H2}$，$\ce{Al}$变为$\ce{AlO2^-}$。书写时不要漏掉 $\ce{H2O}$。

4. 与盐溶液反应

• 与硫酸铜溶液：$2\ce{Al} + 3\ce{CuSO4} -> \ce{Al2(SO4)3} + 3\ce{Cu}$（铝置换铜）
• 与氯化汞溶液（铝汞齐实验，选做）。

5. 铝的冶炼

铝在自然界以 $\ce{Al2O3}$（铝土矿）等形式存在，工业上采用电解熔融 $\ce{Al2O3}$ 冶炼：

$$ 2\ce{Al2O3} \xrightarrow[冰晶石]{电解} 4\ce{Al} + 3\ce{O2 ^} $$

• 冰晶石（$\ce{Na3AlF6}$）作助熔剂，降低 $\ce{Al2O3}$的熔点（其熔点高达$2054\ \degree\ce{C}$）。
• 不电解 $\ce{AlCl3}$：$\ce{AlCl3}$ 是共价化合物，熔融态不导电。
• 铝是活泼金属（金属活动性顺序在 $\ce{Mg}$与$\ce{Zn}$ 之间），只能用电解法冶炼，不能热还原。

6. 铝热反应

原理：铝是强还原剂，在高温下能把金属活动性比铝弱的金属从其氧化物中置换出来：

$$ \ce{2Al + Fe2O3 \xrightarrow{高温} Al2O3 + 2Fe} $$

该反应放出大量热，温度可达 $2000\ \degree\ce{C}$ 以上。

其他铝热反应：

反应	冶炼的金属
$\ce{4Al + 3MnO2 \xrightarrow{高温} 2Al2O3 + 3Mn}$	锰
$\ce{2Al + Cr2O3 \xrightarrow{高温} Al2O3 + 2Cr}$	铬
$\ce{10Al + 3V2O5 \xrightarrow{高温} 5Al2O3 + 6V}$	钒

实验操作：镁条引燃 → 氯酸钾（受热分解放氧助燃）引发 → 铝粉与 $\ce{Fe2O3}$ 剧烈反应。

现象：火星四射、放出大量热、有熔融物（铁）落入沙中、生成白色固体（$\ce{Al2O3}$）。

应用：

1. 野外焊接钢轨（利用高温熔融的铁）。
2. 冶炼高熔点金属（$\ce{V}$、$\ce{Cr}$、$\ce{Mn}$、$\ce{W}$ 等）。

铝热反应的本质

铝热反应本质是置换反应、氧化还原反应、放热反应。$\ce{Al}$作还原剂被氧化为$\ce{Al2O3}$，金属氧化物作氧化剂被还原为金属单质。判断标准：金属活动性顺序中铝后面的金属氧化物都可用铝还原。

典型例题

例题 1：铝与酸、碱反应的气体量比较

题目：相同物质的量的铝分别与足量盐酸、足量 $\ce{NaOH}$ 溶液反应，产生氢气的物质的量之比为（ ） A. $1 : 1$　　B. $1 : 2$　　C. $2 : 1$　　D. $3 : 1$

分析：铝与盐酸：$2\ce{Al} + 6\ce{H+} -> 2\ce{Al^{3+}} + 3\ce{H2 ^}$，$\ce{Al}$从$0$价升到$+3$价，1 mol$\ce{Al}$转移 3 mol 电子，生成 1.5 mol$\ce{H2}$。铝与 $\ce{NaOH}$：$2\ce{Al} + 2\ce{OH^-} + 2\ce{H2O} -> 2\ce{AlO2^-} + 3\ce{H2 ^}$，同样 1 mol $\ce{Al}$生成 1.5 mol$\ce{H2}$。两者转移电子数相同。

解答：等物质的量铝与足量酸、足量碱反应，生成氢气物质的量之比为 $1 : 1$。答案：A。

点评：铝与酸、碱反应生成氢气量相等，因为铝在两个反应中都由 $0$价升到$+3$ 价，转移电子数相同。这是高考常考的结论："等量的铝与足量酸、碱反应放氢量相等"。

例题 2：铝热反应的应用

题目：下列金属不能用铝热反应冶炼的是（ ） A. 锰　　B. 铬　　C. 铁　　D. 镁

分析：铝热反应只能冶炼金属活动性比铝弱的金属。$\ce{Mn}$、$\ce{Cr}$、$\ce{Fe}$ 的活动性都比铝弱，可用铝热反应冶炼；$\ce{Mg}$的活动性比铝强，不能用铝还原$\ce{MgO}$ 制镁。

解答：答案：D。

点评：判断铝热反应能否发生，看金属活动性顺序：铝只能置换铝后面的金属。钠、钙、镁、铝等活泼金属用电解熔融法冶炼。

易错提醒

易错点清单

1. 铝与强碱反应要写 $\ce{H2O}$参与，产物是$\ce{AlO2^-}$而非$\ce{Al(OH)3}$。
2. 铝热反应的条件是"高温"，不是"点燃"；需要镁条和氯酸钾引发。
3. 铝在常温下与浓硫酸、浓硝酸钝化，但加热条件下剧烈反应。
4. 铝与稀硝酸反应不产生氢气（硝酸是氧化性酸，生成 $\ce{NO}$）。
5. 等量铝与足量酸、足量碱反应放氢量相等（转移电子数相同）。
6. 铝热反应是置换反应、放热反应、氧化还原反应，但不属于离子反应（无离子参与）。

与其他知识关联

• 铝的氧化物与氢氧化物的两性详见 02-铝的氧化物与氢氧化物两性。
• 铝热反应冶炼的铁正是 07-铁及其化合物/01-铁单质 中铁的工业来源之一。
• 铝的导电性、延展性与金属键有关，可在选必二深化，参考 杂化轨道理论。
• 金属冶炼方法（电解法、热还原法、热分解法）见 03-金属材料与合金。

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