高中化学竞赛辅导试题讲解及答案铝镓铟铊及其化合物word版附答案.docx

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高中化学竞赛辅导试题讲解及答案铝镓铟铊及其化合物word版附答案

元素化学19：

铝镓铟铊及其化合物

（时间：

2.5小时满分：

100分）

第一题（6分）一组铝化合物的问题

回答下列问题：

1．α－Al2O3既难溶于酸、也难溶于碱，但高温下与某盐反应可转化为可溶物；所得产物溶于适量水可结晶得到明矾。

写出熔解α－Al2O3的反应方程式。

2．AlF3不溶于HF（l）中，但当NaF加入HF（l）中，AlF3就可以溶解。

再把BF3加入AlF3

的NaF－HF溶液中。

AlF3又沉淀出来。

试解释原因。

3．泡沫灭火机内含浓NaHCO3液（置于铁桶内）和浓Al2（SO4）3液（置于玻璃瓶内）。

使用时把灭火机倒置即有泡沫状物喷出，灭火。

（1）写出倒置灭火机时反应的化学方程式；

（2）灭火机内NaHCO3液体积和Al2（SO4）3液体积之比约5︰1，请估计两种溶液浓度

（mol/L）之比约是多少？

是Al2（SO4）3液还是NaHCO3液稍过量更好些？

（3）因Na2CO3的价格便宜，有人建议用等浓度（mol/L）、等体积Na2CO3代替NaHCO3，请评价此建议。

（4）有人建议：

把浓Al2（SO4）3液置于铁桶内（溶液体积扩大了5倍），而把所需固体NaHCO3

置于玻璃瓶中。

请评价此建议。

第二题（7分）一种铝盐的制备与性质

铝碳酸镁是一种天然矿物，其结构式为Al2Mg6（OH）16CO3·4H2O，它最早是由Feitknecht等人在1942年发现的。

它最广泛、最主要的用途是作为新型抗酸药，用于治疗胃溃疡、十二脂肠溃疡、胃酸过多症及胃炎等。

1．试用氢氧化铝和氢氧化镁等试剂写出制备铝碳酸镁的反应方程式；

2．简要推测其溶解度和酸反应的性质；

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3．在铝碳酸镁热分解过程中，第一次是失去镁铝水滑石晶体中间层中的结晶水，吸热分解失重约为12.0%，第二次热分解阶段是失去结构水、碳酸根分解，吸热分解失重约为31.8%，写出分解的产物。

－

4．铝碳酸镁与传统的抗酸药如氢氧化铝或碳酸镁相比，具有紧密的晶格结构，晶体中羟基堆积形成密置双层，镁、铝离子以随机方式分布在八面体空隙中，形成带正电的基本层

＋

[Mg6Al2（OH）16]2

，两个基本层之间夹以由碳酸根离子和水分子形成的带负电的中间层[CO32

＋4H2O]2

－，它们自身在胃内能形成①体系。

并且本品能使胃液的pH值在较长时间内维持在

②之间，被称为理想的中和胃酸药物。

第三题（8分）铝的回收方法

铝可以从铝土矿中获取。

铝土矿是不纯净的铝的氧化物（杂质为Fe2O3和SiO2），它是非再生资源。

假如我们对铝的消费保持现有的速度，我们能获得生产足够的铝所需的铝土矿仅能维持30年左右。

由此看来，保护现有自然资源和对非再生资源的再利用，是值得我们考虑的。

但在废物回收过程中，仍有相当大的难度，其关键的因素主要涉及旧金属的收集与其它废物的分离、回收和提炼金属的费用、金属本身的价值等。

1．试说明回收铝的过程中存在的困难。

2．为什么金的回收率比铝的回收率要大得多？

3．常温下，SiO2同强碱或强酸是很难反应的。

现利用盐酸、氢氧化钠溶液、氮气、二氧化碳和水，从铝土矿中提取纯净的Al2O3。

试设计一个适用于工业生产上提纯Al2O3的实验方案，用化学方程式表示提纯的过程。

4．制取1molAl理论上需要多少库仑的电量？

假定用6V的直流电源供电进行电解，制

2.7吨铝需要多少千焦的电能？

（请列式并计算）

5．在1.01×105Pa，27℃时，每产生1mol，理论上在阳极生成O2的体积为多少升？

（请列式并计算）

6．如果每度电的费用为0.60元，试计算生产厂家每生产1吨铝需付出的电费为多少元？

（请列式计算）

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第四题（15分）氯化铝的性质

三氯化铝是有机合成的重要催化剂，也是制备其他铝化物的原料之一，其反应活性又与它的状态及所用的反应溶剂有关，请问：

1．三氯化铝在有机合成中有什么重要用途

2．在不同形态下，无水氯化铝以多种微粒形态存在：

如在晶态中以形式X；在高于升华温度气态中以形式Y；在苯中也以形式Y，但还有少量的Z；在乙醚中以W。

写出X、Y、Z、W的各形式。

3．无水三氯化铝接触潮气会生成白色烟雾，写出最主要发生的反应方程式。

4．实验室中可用铝和氯化氢在加热条件下制备三氯化铝，写出反应方程式和制备和收集操作中的要点。

5．写出工业上用碳氯化法制取三氯化铝的反应方程式。

6．用氧化铝和四氯化碳反应也可制备三氯化铝，反应中有气体副产物产生，该气体有聚毒，易水解。

写出制备反应方程式。

7．工业电解NaCl－AlCl3体系铝工艺如下：

用氧化铝或铝硅酸盐为原料，制得AlCl3，再以无水AlCl3为原料，制备AlCl3离子型液体（AlCl3－MCl，M为碱金属或有机阳离子），以此AlCl3离子型液体进行电解。

（1）实验证明，在阳极发生的电解反应是AlCl4

－失去电子生成离子Q，该离子中Al有一

种环境，Cl有二种环境，经质谱检验，其质荷比M/Z＝302.5，试画出该离子Q的结构式，并

写出生成Q的电极方程式。

（2）生成的Q离子移动到阴极，并在阴极得电子生成Al单质。

试写出电极方程式。

3

（3）据有关资料显示，当Cl－含量较少时，AlCl－MCl

n3n＋1

中可能存在链状离子[AlCl]－，试画出其结构。

（4）电解AlCl3－MCl熔体制铝比电解Al2O3－Na3AlF6

制铝节省电能约30%。

为什么现仍用后一种方法制铝？

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第五题（16分）推断三组物质

1．某短周期元素的氯化物X，其蒸汽折换成标准时密度约为11.16g/L。

若将它投入到甲醇CH3OH中，可以从甲醇中结晶出X·4CH3OH。

（1）确定X的分子式。

（2）已知X中同种类型的原子都等价，请你设计出X的分子结构式。

（3）试解释，为什么X投入到甲醇中后会析出组成为X·4CH3OH的分子式。

2．X的单质是一种软的、白色的、较活泼的金属；该元素的克拉克值低、分布分散、绝大部分伴生在有色金属、煤和铁矿中；X元素的世界储量不大，而我国的资源储量居世界前茅。

其化合物XP、XAsyP1－y是人们熟悉的半导体材料。

X在高价化合物中比在其低价化合物中稳定。

目前，具有层状结构的特殊性能物质（该金属的非整比化合物）Cd0.5Ga2XS5和Hg0.8Ga1.6X1.2S5正在深入研究。

（1）写出X的元素符号和名称；

（2）指出X的价电子构型和周期表中的位置；

（3）X还可用于制造哪一类型的合金。

3．主族元素化学研究中继合成环铝氮烷后又一激动人心的进展是合成了半导体M。

M在现代电子技术中有着广泛的应用，M可由下法制得：

将GaCl3与LiC5（CH3）5以适当的比例混合后发生反应，生成A与LiCl。

A结构对称，且由4mo1LiC5（CH3）5生成1molA；将[（CH3）3Si]3As与LiCH3以物质的量比1︰1溶于四氢呋喃中发生反应生成B与Si（CH3）4。

B中As以四配体存在。

再将A、B混合，反应后有C、LiCl及一液态物质生成。

C中Ga、As各自的部分键不变，最后在C的戊烷溶液中加入叔丁醇分离出M，将其在500℃中加热两天便可得到半导体M。

（1）写出A、B、C的结构式。

（2）写出M的化学式，最后一步反应中加叔丁醇的作用何在？

为何要加热才能制得半导体？

（3）写出各步的化学反应方程式。

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第六题（14分）推断一种化合物

化合物A被誉为21世纪的“魔法石”，这种物质可以把普通金属变成金子，或者说金钱；它可以传送光线而不会将能量以热的形式浪费掉；它可以把手机信号扩大十倍，让电脑的速度提高1万倍。

A由金属B和非金属C两种元素组成。

金属B是在闪锌矿中离析出的；也是化学史上第一个先从理论预言，后在自然界中被发现验证的化学元素。

金属B为蓝灰色固体，熔点29.8℃，沸点2403℃。

B在常温下几乎不受氧

和水的侵蚀，只在高温下才被氧化；它与稀酸作用缓慢，可溶于热的强酸及强碱中；B的氧化物和氢氧化物都是两性的，可溶于酸和碱中。

非金属元素C的核外轨道，双电子占据的轨道比单电子占据的轨道少1个。

1．写出A的化学式和B、C的电子构型；

2．列举单质B的2种用途；

3．单质B需密封保存，但不能存放在玻璃器皿中，解释不能存放的原因。

4．B除能与C形成A外，还可以形成另三种类似物，它们的组成和性质都有相似之处。

写出这三种物质的化学式。

5．A有多种方法进行制备，分别写出反应方程式。

（1）B的甲基化合物和C的氢化物反应；

（2）B的氯化物和C的碱金属化合物反应；

（3）B的偏酸粉末与C的氢化物反应；

（4）B的氧化物和C的氢化物以及碳反应（产物中H2O、CO、H2的物质的量比是1︰1︰5）

6．通过X射线衍射和扫描电镜研究发现，A粉末是六角纤锌矿结构的粒状微晶，其晶格常数a和c分别为0.3191nm和0.5192nm。

计算A的密度。

第七题（8分）铝的定量分析

在仅含有Al3＋一种金属离子的某样品水溶液中，在pH＝9.0条件下加入稍过量的8－羟基喹啉（结构式如右图所示），使Al3＋定量地生成三喹啉铝沉淀。

过滤并洗去过量的8－羟基喹啉，然后将沉淀溶于2mol/LHCl溶液中，即得8－羟基喹啉的酸溶液，用15.00mL0.1238mol/LKBrO3－KBr标准溶液处理，产生的Br2与8－

羟基喹啉发生反应生成二溴羟基喹啉，反应完全后，再加入过量的KI，最后用0.1028mol/L

Na2S2O3标准溶液滴定，终点时用去Na2S2O3标准溶液5.45mL。

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1．如何控制Al3＋与羟基喹啉反应时溶液的pH＝9.0？

2．写出铝离子与8－羟基喹啉反应的离子方程式，并明确写出产物的结构，指出是何类化合物；

3．写出生成溴的反应的离子方程式和溴与8－羟基喹啉反应的化学方程式；

4．由以上实验数据计算样品中Al的含量。

第八题（11分）推断一种元素及其化合物

取1.25g的某化合物A溶于2倍（物质的量）的盐酸中。

将盐溶液的一半加入过量的碱中，此时没有发生任何明显的变化。

在对碱溶液缓慢酸化时，则析出沉淀，向另一半盐溶液中加入等量的硝酸银，得到5.74g沉淀。

沉淀上面溶液的焰色反应呈黄色。

1．试确定原化合物A的组成并写出上述各步反应的化学反应方程式。

2．A的阴离子的成酸元素X的单质能在氨气流中于1050～1100℃加热30分钟可得到疏松的灰色粉末B。

B在半导体、光电子和感光材料等领域应用及其广泛。

已知B的晶体属于纤维矿ZnS型结构。

B较稳定，一般情况下只溶解在热的浓碱（如NaOH）溶液中。

试写出上述两个化学反应方程式。

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3．把过量的X元素的单质加入NaOH的液氨溶液中，可制得C溶液。

经分析，C中不含有氧元素，其焰色反应为黄色，且C中阴离子为正四面体结构。

试写出生成C的离子方程式。

4．C加热能发生分解，能生成D和一种碱性气体。

若D的物质的量是该碱性气体的1/2。

试写出生成D的化学反应方程式。

第九题（12分）推断一种化合物

6.70g二元化合物A与足量的Ba（OH）2溶液发生反应，其中生成一种不溶于水的钡盐。

将溶液过滤，在隔绝空气的情况下小心蒸发滤液，得一种淡黄色晶体（一种碱）。

将该碱灼烧至质量不再变化时，得6.37g固体B。

将B溶于足量的稀硝酸，将得到的硝酸盐加热到300℃左右，反应完全后，最后得到0.48g气体C。

已知上述反应中盐A的金属阳离子的化合价未发生改变。

试回答下列问题：

1．通过计算确定A、B、C的分子式；

2．写出上述化学反应方程式。

3．若将Cl2通入上面的硝酸盐溶液中，再滴加NaOH溶液，将生成的沉淀过滤，干燥，得一棕黑色固体D（D中金属呈最高价态）。

经研究发现，其物质所含元素与B相同。

试确定D的化学式，写出该反应的离子方程式。

4．若在上面的硝酸盐溶液中，滴加少量的草酸溶液，在一定条件下电解此混合溶液，可制得棕紫色固体E。

与B、D相比，除了组成元素相同外，E分子中金属的质量分数为86.5%。

E不溶于水，若滴加热的盐酸，则放出气体C。

试确定E的化学式。

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《铝镓铟铊及其化合物》知识要点

一、铝单质

1．存在：

地壳含量；存在于黏土和铝硅酸盐；1886年后才利用

2．Al的物理性质：

密度：

2.7——轻金属；质软；导电性好、延展性好、形成铝合金

3．Al的化学性质

（1）极易被氧化，表面有致密氧化膜，常温下与空气、水、冷浓HNO3、H2SO4不反应

（2）与酸碱反应

（3）与非金属（B、Si、As、S、Se、Te）反应，不与H2反应

（4）铝热法；铝热剂

4．铝的提取炼铝原料：

铝矾土矿（Al2O3·1～3H2O）、冰晶石

①NaOH溶解→NaAlO2、②沉淀过滤，除杂质、③通CO2→Al（OH）3（NaHCO3）、④过滤沉淀、干燥、灼烧、⑤电解（助熔剂）

二、铝的化合物

1．氢氧化铝、氧化铝

（1）两性

（2）溶液中铝的存在形式：

pH4～6、8～10（3）Al（OH）3：

胶状、吸附

（4）Al2O3：

不溶于水，耐火材料刚玉：

红–Cr（Ⅲ）；蓝–Fe（Ⅱ、Ⅲ）、Ti（Ⅲ），硬度大

2．卤化铝

＋－3－

（1）AlF3：

难溶离子化合物Al3＋6F＝AlF6

（2）无水AlCl3（Br、I）共价化合物，熔点190℃，沸点180℃

（3）气态Al2Cl6结构

（4）AlCl3：

缺电子体，Lewis酸，有机合成酸催化剂

（5）制备（溶液加热要水解）

①Al＋Cl2（HCl）→AlCl3→升华；②Al2O3＋3C＋3Cl2→2AlCl3＋3CO3．硫酸铝和明矾

（1）Al3＋水解净水剂

（2）泡沫灭火器：

Al3＋＋3HCO－＋HO

32

（3）明矾：

KAl（SO4）2·12H2O（4）复盐、混盐三、镓铟铊

1．与铝具有相似的性质，金属性增强；

2．Tl3＋有氧化性，还原为Tl＋。

四、几个名词解释

1．铝（aluminium）：

基态电子构型[Ne]3s23p1。

化合价3。

自然界只有一种稳定同位素27Al，另有八种放射性同位素。

银白色轻金属。

有延展性。

俗称“钢精”或“钢宗”。

比重2.6989。

熔点600℃。

沸点约2400℃。

熔化热1.076×104焦/摩。

气化热2.84×105焦/摩。

第一、二、三级电离势分别为5.98、18.82、28.44电子伏。

面心立方晶格。

金属原子半径1.43×10－10米。

离子半径5.1×10－11米（＋3价）。

电阻率2.63×10－6欧·厘米，标准电极电位（E°

Al3＋/Al）

－1.66伏。

导电、导热性强。

机械强度较差。

化学性质活泼。

溶于酸或碱放出氢气。

与氧、

卤素、碳、硫等形成化合物时放出大量热。

在空气中表面形成氧化铝薄膜，起保护作用。

可耐水、硫化物、冷的浓硫酸和浓硝酸及有机酸类的腐蚀。

在自然界中以复杂的硅酸盐形式存在，含量约占地壳总量8.8％，主要有铝土矿、冰晶石等矿物。

由铝的氧化物与冰晶石等矿物（Na3AlF6）共熔电解制得。

用于冶炼某些高熔点金属（参见铝热法）。

在石油、油脂、制药、制酒等工业中用作耐腐蚀材料；日用器皿也多用铝制成。

铝合金质轻而坚韧，可作飞机、汽车、火箭等的结构材料。

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2．氧化铝（aluminumoxide）：

化学式Al2O3。

白色晶状粉末。

比重3.965（5℃）。

熔点2045℃。

沸点2980℃。

不溶于水和一般的有机溶剂。

具有不同的晶型。

其中γ－Al2O3溶于酸或碱，是典型的两性氧化物。

冶炼金属铝的主要原料，也可用作吸附剂。

α－Al2O3一般不被化学药品侵蚀，在自然界中以刚玉形式存在。

刚玉硬度约为8.8，仅次于金刚石、碳化硅，可制钻头、砂轮、锉刀和轴承等。

用作重要的耐火材料和填料。

参见“刚玉”。

3．氢氧化铝（aluminumhydroxide）：

正氢氧化铝[化学式Al（OH）3]和偏氢氧化铝［化学式AlO（OH）］的统称。

Al（OH）3为白色单斜晶体。

比重2.42。

300℃时失水。

不溶于水、乙醇，溶于强酸和强碱的水溶液，是典型的两性氢氧化物。

在铝酸钠或铝酸钾［Na3Al（OH）6或K3Al（OH）6］溶液中，通入二氧化碳，即得正氢氧化铝沉淀。

铝盐溶液中加氨水或少量碱溶液则得含水量不定的水合氧化铝（Al2O3·xH2O）胶态沉淀，此沉淀逐渐转变为偏氢氧化铝结晶。

用于制备铝盐、吸附剂、媒染剂和离子交换剂，并用作制瓷釉、耐火材料、防水布等

的原料。

其凝胶液和干燥凝胶在医疗上用作抗酸药，能中和胃酸和保护溃疡面，用于胃酸过多症、胃和十二指肠溃疡病等。

4．氟化铝（aluminumfluoride）：

化学式AlF3。

白色立方晶体或粉末。

比重2.882（25℃）。

1272

℃升华。

稍溶于水，做溶于酸和碱，不溶于大部分有机溶剂。

在300～400℃可被过热水蒸气部分水解为氟化氢和氧化铝。

此外，尚有半水合物、一水合物、三水合物、三个半水合物和九水合物等。

由氢氧化铝与氢氟酸反应或氟铝酸铵加热分解而得。

工业生产一般得三水合物，灼烧脱水所得无水物含少量氧化物。

用于电解铝中使熔点降低并提高导电率，还用作发酵作用的抑制剂、非铁金属的熔剂、陶瓷釉和搪瓷的助熔剂以及有机反应中的催化剂。

5．氯化铝（alumiumchloride）：

化学式AlCl3。

纯品系无色透明六角晶状或白色粉末，通常则为灰色或黄绿色。

比重2.44（25℃）。

熔点190℃（2.533×105帕）。

177.8℃升华。

440℃以下的蒸气为二聚体Al2Cl6。

比重4.6。

吸收空气中水分并水解放出氯化氢而发生烟雾。

易溶于水，水溶液呈酸性，生成六水合物（AlCl3·6H2O），同时放出大量的热；也能溶于乙醇、乙醚、氯仿和四氯化碳等有机溶剂，但不溶于苯。

可由氧化铝加碳氯化或熔融金属铝与无水氯化氢气体作用而得。

用作有机合成的酸催化剂，特别适用于“傅特尔－克拉符兹反应”，石油裂解、橡胶和润滑油生产。

还用于制备铝有机化合物。

6．硫酸铝钾（potassiumaluminumsulfate）：

俗称“明矾”，又称“白矾”、“钾明矾”。

化学式K2SO4·Al2（SO4）3·24H2O或KAl（SO4）2·12H2O。

硫酸钾和硫酸铝含结晶水的复盐。

无色无臭硬而大的透明晶体或白色晶状粉末。

有酸涩味。

比重1.757。

熔点92.5℃。

室温下稳定，长时间保持60～65℃将失去九分子结晶水，暴露于空气中则重新吸收水分而复原。

约200℃逐渐成为无水物，更高温度失去SO3并变得不完全溶于水。

溶于水、甘油，不溶于醇。

水溶液呈酸性，0.2摩/升水溶液pH为3.3。

水解时生成氢氧化铝胶状沉淀。

将明矾石[K2SO4·Al（SO4）3·4Al（OH）4]锻烧后用水浸取、结晶而得。

用作媒染剂和净水剂。

化学工业中用于炼铝、制造钾肥等。

中医学上用作内服及外敷的药物。

7．氟铝酸钠（sodiumfluoaluminate）化学式Na3AlF6。

无色单斜晶体。

比重2.90。

熔点1000

℃。

溶于浓硫酸，微溶于水，不溶于盐酸。

被碱分解。

由铝酸钠、碳酸氢钠和氟化钠制得。

主要用作炼铝的助溶剂。

8．镓（gallium）：

基态电子构型[Ar]3d104s24p1。

化合价2、3。

自然界有两种稳定同位素69Ga、

71Ga，另有二十种放射性同位素。

带白色光泽的金属。

软而有延展性。

比重6.095。

熔点29.78

℃。

沸点2403℃。

熔化热5593.6焦/摩。

气化热2.89×105焦/摩。

第一、二、三级电离势分别为6.00、20.43、30.6电子伏。

立方晶格。

金属原子半径1.24×10－10米。

离子半径6.2×10

－11米（＋3价）。

电阻率1.74×10－5欧·厘米。

标准电极电位（E°

Ga3＋/Ga

）－0.560伏。

有过

冷现象。

凝固时体积膨胀，宜贮于塑料容器中。

易溶于酸，也溶于氢氧化钠。

在空气中，常

温时稳定；赤热时表面被氧化。

低温时能与氯、溴强烈反应。

加热才与碘反应。

是锌、铁、铝等矿的共生组分。

含量极微，不超过0.01%。

由炼铝工业的副产品——粗氧化镓溶于苛性碱，然后电解制得。

用作高温石英玻璃温度计中的液柱、真空装置中的液封（如用于质谱仪的进口系统）、植物生长的促进剂等。

高纯度的镓与砷、锑、磷形成的金属间化合物是新型半导体材料。

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9．铟（indiun）：

基态电子构型[Kr]4d105s25p1。

化合价3。

自然界有两种稳定同位素113In、115In，另有二十九种放射性同位素．银白色金属。

质软。

比重7.31。

熔点156.61℃。

沸点2080℃。

熔化热3269.9焦/摩。

气化热2.25×106焦/摩。

第一、二、三级电离势分别为5.79、18.79、27.9电子伏。

四方面心晶格。

金属原子半径1.626×10－10米。

离子半径8.1×10－11米（＋3

价）。

电阻率8.37×10－6欧·厘米。

标准电极电位（E°

In3＋/In）－0.338伏。

易溶于酸。

在干

燥空气中不失去光泽，加热即为氧化薄膜所覆盖，温度高于熔点时迅速被氧化。

在氯气中剧

烈燃烧，也能与其他卤素及硫等直接化合。

存在于闪锌矿中，含量约0.1％。

由不足量盐酸处理闪锌矿所得的矿泥，经过除重金属、沉淀富集后，用氢热还原或电沉积制得。

用于制造低熔合金、轴承合金、半导体、电光源，在原子能工业中用以测定或吸收中子。

10．铊（thallium）：

基态电子构型[Xe]5d106s26p1。

化合价1、3。

有两种稳定同位素203Tl、205Tl，另有二十六种放射性同位素。

银白色有光泽的金属。

软而无伸缩性。

比重11.85。

熔点303.5

℃。

沸点1457℃。

熔化热4312.4焦/摩。

气化热1.621×105焦/摩。

第一、二、三级电离势分别为6.11、20.32、29.7电子伏。

有两种同素异形体：

α型六方晶格，232.2℃时转