探究pH相同的盐酸、醋酸与活泼金属的初始反应速率

施志斌

摘要：通过实验探究了稀盐酸和醋酸溶液分别与镁、锌、铁等金属反应的相对速率大小，发现盐酸和醋酸的pH相同时，镁、锌、铁等金属在醋酸溶液中的初始反应速率更快。从动力学的角度看，HAc、Ac-能促进H+的传质与吸附，并很可能参与了H+与活泼金属反应的历程。

关键词：盐酸；醋酸；活泼金属；反应速率；动力学

文章编号：1005–6629（2015）3–0045–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

在中学“电离平衡”一章的学习过程中，经常会遇到类似于以下的题目：

pH相同且等体积的稀盐酸溶液A和醋酸溶液B，分别加入相同大小的锌粒进行反应，初始反应速率νA____ νB；反应一段时间之后，速率νA ____νB。（填“>”、“<”或“=”。）

不少教师和教辅资料认为：从反应的本质来说，金属是与酸电离出的H+反应。若稀盐酸和醋酸中的[H+]相同，则两种溶液与锌初始反应时速率相同；但醋酸是弱电解质，在反应过程中，溶液中未电离的醋酸能不断电离提供H+，避免[H+]降低太快，因而平均反应速率更快。

以上解析和答案是基于“金属与酸置换氢气的反应速率只由[H+]决定”和“反应过程中，盐酸中[H+]下降快，醋酸中[H+]下降慢”而得出的。那么，实际情况是否与上述的理论分析所得结论一致？

2 实验探究

将中国医药集团生产的分析纯盐酸和冰醋酸分别配成稀溶液，小心地调节pH值使之一致，用大普数字酸度计（PHS-25）型测得pH均为2.03。选取质量均为0.4g圆饼状的锌粒若干备用，使用前均用较浓的盐酸除去表面碱式碳酸锌等覆盖层，然后用蒸馏水将锌粒冲洗干净，并用滤纸吸干其表面的水分。另外，下面实验中所用的镁条裁剪为2.0cm长度，铁片裁剪为1.0cm×1.0cm的正方形，金属表面氧化膜的处理方法与锌粒相同。

实验1 各取40mL pH均为2.03的稀盐酸和醋酸溶液于两只小烧杯，同时加入一粒锌粒，发现醋酸与锌反应产生的气泡更快，具体现象见表1。为了避免锌粒表面积的细微差别对实验结果造成影响，做了两类重复实验：（1）另取40mL两种溶液，将原实验使用过的锌粒清洗干净，交换所投溶液；（2）另取40mL两种溶液和经过处理但未使用过的锌粒，观察现象，5min后实验结束，按操作（1）交换锌粒所投溶液再次进行实验。重复实验结果与原实验相同，锌在醋酸中的反应速率均比在盐酸中快。

两种酸溶液所取的量较多，且锌在两种溶液中的反应速率都比较慢，因此，反应5min后溶液的pH都没有明显变化。可见，盐酸与锌反应产生的气泡比醋酸慢，并非由于盐酸溶液中的[H+]下降更快造成的。

为了确认锌与酸反应的初始速率是否只与[H+]有关，还需要进一步实验。

实验2 往剩余的稀盐酸中滴加一滴浓盐酸后，测得pH=1.84。各取40mL pH=1.84的稀盐酸和pH=2.03的醋酸溶液于两只小烧杯，同时加入一粒锌粒，具体现象见表2。重复实验的方法与实验1相同。实验发现，虽然醋酸溶液的pH比盐酸大，但锌在醋酸溶液中的反应速率依然更快。

醋酸溶液的pH高，[H+]小，但与锌的反应速率却更快，可以判断盐酸、醋酸pH相同时二者与锌反应的初始速率是不同的。这说明锌与酸反应速率不仅与[H+]有关，还可能与其他一些因素有关。

那么是哪些因素影响了锌与酸反应的速率？这些因素的影响作用大小如何？

实验3 各取40mL醋酸溶液于三只小烧杯，烧杯①加入0.2g氯化钠，烧杯②加入0.2g醋酸钠，烧杯③空白。同时往三只烧杯中加入一粒锌粒，现象见表3。另取溶液和锌粒，重复实验两次，气泡逸出速率大小顺序与表3所列现象一致。

相比于烧杯③，由于烧杯①中存在盐效应，醋酸的电离程度增大，[H+]、[Ac-]增大，[HAc]减小；烧杯②中则受到同离子效应的影响，醋酸的电离程度降低，[Ac-]、[HAc]增大，[H+]减小。从反应速率：①>③>②来看，[H+]对锌与醋酸反应速率的影响比较明显。

实验4 另取醋酸溶液各40mL于三只小烧杯，烧杯④加入0.2g氯化钠，烧杯⑤加入0.2g醋酸钠，烧杯⑥空白，并往烧杯④和烧杯⑥加入水进行稀释（烧杯④加入水的量大于烧杯⑥），使pH值相同。弃去烧杯④和烧杯⑥中部分溶液，使三只烧杯的溶液体积均为40mL。同时往三只烧杯中加入一粒锌粒，现象见表4。另取溶液和锌粒，重复实验两次，气泡逸出速率大小顺序与表4所列现象一致。

根据电荷守恒，烧杯④中[Na+]=[Cl-]且烧杯④和⑥的pH相等，所以，烧杯④和⑥的[Ac-]相等；相比于烧杯⑥，烧杯④存在盐效应而醋酸电离程度比烧杯⑥大且烧杯④加入更多的水进行稀释，因此，烧杯④中[HAc]比烧杯⑥小。由于烧杯⑤加入醋酸钠产生的同离子效应，[Ac-]、[HAc]均比烧杯⑥中大。从反应速率⑤>④≈⑥来看，当[H+]相同时，[HAc]、[Ac-]对锌与醋酸反应的速率也有一定的影响。

那么，其他金属是否也有与锌一样的现象？

实验5 用镁条、铁片代替锌粒，按实验2、3、4方案进行实验。由于镁与酸反应速率较快，因此重复实验时，另取镁条与溶液反应；而铁在酸中的反应速率比锌慢，所以重复实验的方案与锌相同。实验中，均能观察到与锌类似的现象——Mg、Fe在pH相同的醋酸溶液中反应速率更快，除了[H+]外，[Ac-]和[HAc]对反应速率也有一定的影响。

3 理论分析

从上述实验可以发现，通常[H+]相差较大时（如实验3），[H+]是影响速率的主要因素，而当[H+]相近时（如实验1、2、4），[HAc]、[Ac-]等微粒浓度对反应速率也有一定的影响。那么，HAc、Ac-如何影响活泼金属与醋酸的反应速率？

广义上，金属单质反应生成化合物，即可称为腐蚀。而金属在电解质溶液中反应的问题，均可用腐蚀电化学知识进行解释。活泼金属与酸反应必须发生在金属表面，电子的传递是间接的，反应过程遵循电化学原理。同一金属表面上存在金属失电子和氢离子得电子的电极反应耦合，是一种二重电极[1]。通常，活泼金属与盐酸、醋酸反应时，不易生成阻碍金属继续参加反应的难溶物，因而整体反应速率往往由氢气析出过程所控制。

由于实验中观察到镁、锌与铁的现象类似，因此，镁、锌在醋酸溶液中的反应，吸附在金属表面的HAc、Ac-也很有可能参与了H+与这些金属的反应历程，并促进了反应速率。

4 总结

严宣申教授曾在《化学实验的启示与科学思维的训练》中强调，“即使很简单的问题，也往往涉及几个因素”，因而在进行知识迁移时“单因素考虑问题不全面”[4]。教学过程中为了突出“弱电解质的电离是不完全”的知识，经常以“等物质的量浓度的盐酸、醋酸与活泼金属反应，醋酸的反应速率较慢是由于醋酸不完全电离，[H+]小造成的”为习题加以巩固。但活泼金属与酸发生析氢反应的速率，不仅受到金属本性、[H+]的影响，还受到酸根阴离子和表面吸附微粒等因素的影响。将“物质的量浓度相同”的特定情况下[H+]是影响速率的主要因素，当做是唯一的影响因素加以推广，则会出错。

参考文献：

[1]曹楚南.腐蚀电化学原理[M].北京：化学工业出版社，2004：34～39.

[2]王文英，马建丽.锌含杂质提高产氢速率的热力学和动力学本质[J].衡水师专学报（自然科学版），2001，3（2）：34～36.

[3]高延敏，王绍明，徐永祥等.A3钢在乙酸中的腐蚀行为和机理[J].腐蚀与防护，2006，27（1）：11～13.

[4]严宣申.化学实验的启示与科学思维的训练[M].北京：北京大学出版社，1993：59.