9.7.3　铝盐

9.7.3　铝盐

常见重要的铝盐有硫酸铝和三氯化铝。

无水硫酸铝Al₂(SO₄)₃为白色粉末，从水溶液中得到的为Al₂(SO₄)₃·18H₂O，它是无色针状结晶。硫酸铝易与K⁺、Rb⁺、Cs⁺、和Ag⁺等的硫酸盐结合形成矾，其通式为MAl(SO₄)₂·12H₂O(M表示一价金属离子)。硫酸铝钾KAl(SO₄)₂·12H₂O叫做铝钾矾，俗称明矾，是无色晶体。Al₂(SO₄)₃和明矾都易溶于水并且水解，产物是碱式盐或Al(OH)₃胶状沉淀。由于这些水解产物的胶粒吸附作用和Al³⁺的凝聚作用，Al₂(SO₄)₃和明矾常用作净水剂。

三氯化铝溶于有机溶剂或处于熔融状态时都以共价的二聚分子Al₂Cl₆形式存在，其结构见图9.12。二个Al原子采用sp³杂化，与两端四个Cl原子形成四个σ键，这六个原了共处在同一平面上，中间两个Cl原子位于该平面两侧，与两个Al原子的另外两条sp³杂化轨道形成桥式结构，它包含一个σ键和一个配位σ键，即Al—Cl—Al。

在这种分子中有氯桥键(三中心四电子键)，与B₂H₆的桥式结构形式上相似，但本质不同。

AlCl₃为共价化合物，无水三氯化铝能溶于几乎所有的有机溶剂，在水中会强烈水解，在空气中遇水会因水解而发烟。

【人物简介】

侯德榜(1890—1974)　1890年8月9日生于福建省闽侯县一个普通农家。自幼半耕半读，勤奋好学。1911年，侯德榜考入北平清华留美预备学堂，以10门功课全部满分的优异成绩誉满清华园，1913年被保送入美国麻省理工学院化工科学习。1917年毕业，获学士学位，再入普拉特专科学院学习制革，次年获制革化学师文凭。1918年又入哥伦比亚大学研究院研究制革，1919年获硕士学位，1921年获博士学位。侯德榜的博士论文《铁盐鞣革》，围绕铁盐的特性以大量数据深入论述了铁盐鞣制品易出现不耐温、粗糙、粒面发脆、易腐、易吸潮和起盐斑等缺点的主要原因和对策，很有创见，成为制革界至今广为引用的经典文献之一。

侯德榜是中科院院士，著名科学家，为我国化学工业的开发、建设和生产作出了卓越贡献，是我国近代化学工业的奠基人之一。曾任化学工业部副部长，中国化学工程学会理事、理事长，中国化学会理事长，中国化学化工学会理事长，中国化工学理事长等职。

侯德榜于20世纪20年代突破氨碱法制碱技术的奥秘，主持建成亚洲第一座纯碱厂；30年代领导建成了我国第一座兼产合成氨、硝酸、硫酸和硫酸铵的联合企业；四五十年代又发明了连续生产纯碱与氯化铵的联合制碱新工艺，以及碳化法合成氨流程制碳酸氢铵化肥新工艺。他还积极传播交流科学技术，培育了很多科技人才，为发展科学技术和化学工业作出了卓越贡献。

由于侯德榜在制碱工业上的成就，在世界上享有盛誉，1943年被聘为英国化学工业学会名誉会员，是当时12位名誉会员之一；美国机械工程师学会终身荣誉会员。

【阅读材料】

生命元素

人们把维持生命所需要的元素称为生物体的必需元素，亦即生命元素(biological element)，这是它最简单的定义。有些科学家提出生命元素要具有以下特征：①存在于正常的组织中。②在各物种中有一定的浓度范围。③如果从机体排除这种元素，将会引起生理或结构变态——这种变态会伴随特殊的生物化学变化出现；重新引入这种元素之后，上述变态将可以消除。

按照上述定义，生物体的必需元素至少有26种，它们是H、C、O、N、P、S、Na、K、Ca、Mg、Cl、Fe、Zn、Cu、Mn、Mo、Co、Cr、V、Ni、Sn、F、I、B、Si和Sc。

在生物体内，H、C、O、N、P和S占很大比例。它们组成生物体中的蛋白质、糖类、脂肪、核酸等有机物，是生命的基础物质。另外，Na、K、Ca、Mg和Cl也占有一定的比例，它们通常以离子形式在生物体内移动，这些元素被称为常量元素。Fe、Zn和Cu的含量较低；Mn、Mo、Co、Cr、V、Ni、Sn、F、I、B、Si和Sc的含量更低，它们被称为微量元素。

除了H、C、O、N、P和S之外，共余20种必需元素在生物体内的作用也十分重要，它们往往是生命过程中具有重要功能的酶、激素等物质的关键组分，尤其是某些过渡金属元素，在金属蛋白和金属酶诸如催化、电子转移和与外来分子的结合等生物功能中起重要作用。

除了必需元素之外，生物体内还有一些其他元素，如Sr等，目前尚不了解它们的生物功能，暂且称它们为中性元素。过去曾把Al列为中性元素，现在人们已认识到Al³⁺会引起贫血、痴呆，甚至导致死亡。

还有一些元素对生物体，特别是对人是有毒的，如Hg、Cd、Pb等重金属，人们称之为有害元素。如上所述，Al也是一种有害元素，目前，As(也是必需元素，大量摄入后，As³⁺与酶中琉基结合而对酶活性产生影响)、Be(Be²⁺干扰Mg²⁺参与的许多功能，还有导致肺癌和其他肺部疾病)、Tl(Tl⁺干扰K⁺参与的许多功能而显神经毒性)也被列为有害元素。

下面简单介绍一些常量元素和微量元素的生物功能。

1.K⁺、Na⁺　K⁺和Na⁺间的主要差别是它们的离子半径和水合能差异很大，因此K⁺、Na⁺离子在细胞内外的浓度分布很不平衡。在细胞内部，主要集中着K⁺(0.1051mol·L^-1)，Na⁺离子浓度很低(0.01mol·L^-1)；在细胞外部，主要分布着Na⁺(0.1431mol·L^-1)，K⁺离子浓度很低(0.005mol·L^-1)。Na⁺是体液中浓度最大和交换很快的阳离子，它的主要功能是调节渗透压，保持细胞中的最适水位。K⁺离子的电荷密度低，因而它具有通过扩散传输水溶液的能力。

2.Ca²⁺　Ca²⁺在细胞内的浓度(10^-5mol·L^-1)比在细胞外的浓度(10^-3mol·L^-1)小得多。钙是构成植物细胞壁和动物骨骼(主要成分是羟基磷灰石)的重要成分。人体内99%的钙存在于骨骼和牙齿中，钙在维持心脏正常收缩、神经肌肉兴奋性、凝血和保持细胞膜完整性等方面起着重要作用，钙最重要的生物功能是信使作用；细胞内的信号传递依靠细胞内外Ca²⁺的浓度差。

3.Mg²⁺　Mg²⁺是一种内部结构的稳定剂和细胞内酶的辅因子，细胞内的核苷酸以其Mg²⁺配合物形式存在。因为Mg²⁺倾向于与磷酸根结合，所以Mg²⁺对于DNA复制和蛋白质生物合成都是必不可少的。

Mg²⁺在光合作用中起着非常重要的作用。太阳能通过光合作用转化为生物能，并得以贮存起来。大气中的氧气便是光合作用的副产品。光合作用中涉及许多色素，叶绿素a是其中最重要的一种，它是镁的配合物，吸收可见光区的红光，为光合作用提供能量。

4.Zn　锌是构成多种蛋白质分子的必需元素。人体内含锌量为1.4～2.4g，在各类金属酶中，对锌酶的研究最为详尽。早在1934年就发现，锌对哺乳动物的正常成长和发育是必不可少的。已发现的锌酶有数百种，它们参与糖类、脂类、蛋白质和核酸的合成与降解等代谢过程。近来还发现锌酶可以控制生物遗传物质的复制、转录与翻译。微量元素锌虽然是生命过程中不可缺少的元素，如缺锌时可引起人体免疫缺陷，但锌过量也易成慢性锌中毒，主要表现为顽固性贫血，食欲不振，血红蛋白含量降低，血清铁及体内铁贮存减少。

5.Fe　人体中，Fe是最丰富的金属，一般人含铁4.2～6.1g，各种各样的代谢活性分子中都含有铁。在哺乳动物中，70%的Fe是以卟啉配合物的形式存在的，如血红蛋白、肌红蛋白等。血红蛋白负责把O₂从空气中提取出来，并从肺部输送到肌肉组织，转交给肌红蛋白。微量元素铁虽然是人体很重要的元素，但只要不偏食，成人一般不会缺铁，并且体内积聚过多，将会适得其反。微量元素铁过剩将表现为：血色素沉着，肝脾肿大，肝硬化，性机能下降，免疫功能低下。

6.Cu　铜化合物有毒，但微量铜是必需元素。铜在人体内的主要作用是进行氧化还原反应，在生物系统中成为独特的催化剂，参与造血过程及铁的代谢，参与一些酶的合成和黑色素合成。对脊椎动物，在铁的代谢和氧的输送中，铜是必需的，高锌低铜的饮食干扰了胆固醇的正常代谢，易诱发冠心病，故m(Zn)/m(Cu)(质量比)增大可能是冠心病发病的原因。缺铜时，常导致血胆固醇升高，血动脉弹性降低，产生高血压。

7.Co　钴对铁的代谢、血红蛋白的合成和红细胞的发育成熟等有重要作用。钴的主要功用是作为维生素B的必需组分。每立方米血液中只含有2×10^-4μg的维生素B₁₂。1948年人们首次从肝脏中提取出了维生素B₁₂，维生素B₁₂完全依赖于食物，B₁₂以及它的衍生物都是钴的配合物，维生素B₁₂可以治疗恶性贫血症。它们参与DNA和血红蛋白的合成、氨基酸的代谢等生化反应，在Co(Ⅱ)和Co(Ⅲ)配合物之间起电子传递作用。

8.Mo　钼以的形式存在于生命体系中。钼是人体多种酶的重要成分，对细胞内电子的传递、氧化代谢有作用。含钼酶也很多，早在20世纪30年代就已经知道生物固氮(氮还原为氨)必须有钼元素存在，它就是含钼固氮酶。固氮酶存在于许多植物(如豌豆、大豆等豆科植物)的根瘤菌中，这些植物可以直接利用这些细菌生产氮化合物，不必另施氮肥。

9.Cr　Cr³⁺是胰岛素参与作用的糖代谢和脂肪代谢过程所必需的元素，也是正常胆固醇代谢的必需元素。精制食物造成铬的损失，缺铬后血脂和胆固醇含量增加，糖耐受量受损，严重时出现糖尿病和动脉硬化。若补Cr³⁺，病情可以改善。但必须指出，六价铬如是有毒有害的致癌物。

10.Mn　锰是丙酮酸羟化酶、超氧化物歧化酶(SOD)、精氨酸酶等的组成成分，对动物的生长、发育、繁殖和内分泌有影响。锰在人体中具有促进细胞内脂肪的氧化作用，减少肝脏内脂肪的含量，促进胆固醇的合成。土壤中含锰量高的地区，癌症发病率低。成人缺锰时，常出现食欲不振、体重下降、性机能障碍；人体内锰过量，会影响体内氧化还原和水解过程，主要作用于神经系统。

11.Se　硒是人体红细胞谷胱甘肽过氧化物酶的组成成分。现已发现许多疾病与自由基对肌体的损伤有关。已知缺硒地区的克山病、大骨节病和某些癌症都和脂质过氧化有关。

目前对非金属元素的研究较少，因为它们不像金属元素那样易于作为中心离子去和生物配体发生作用，且对它们的分析工作也困难些，所以对其了解较少。

【思考题】

1.简述同一价态不同卤素的含氧酸及同一卤素不同价态的含氧酸酸性的递变规律。

2.现有5瓶无色溶液分别是Na₂S、Na₂SO₃、Na₂S₂O₃、Na₂SO₄、Na₂S_x，试加一种试剂确认，并写出有关的反应方程式。

3.查阅有关文献，说明哪些硫化物为易溶于水、易水解、溶于稀盐酸、溶于浓盐酸、溶于硝酸、溶于王水、溶于NaOH、溶于过量的Na₂S。

4.举例说明硝酸盐热分解规律。

5.举例说明碳酸盐的热稳定性递变规律。

6.硼氢化合物中经常存在的化学键有几种?

7.H₃BO₃与H₃PO₃化学式相似，为什么H₃BO₃为一元酸，而H₃PO₃为二元酸?