关于金属活动性顺序的教学探讨

2016-05-14蒋良

化学教与学 2016年6期

关键词：适用条件判断教育价值

蒋良

摘要：基于中学在金属活动性顺序教学中存在的有关问题，梳理了金属活动性顺序的含义、适用条件，及根据金属活动顺序可以作出的常见判断和比较金属活动性强弱的常用方法，讨论了金属活动性顺序的教育价值。

关键词：金属活动性顺序；适用条件；判断；比较；教育价值

文章编号：1008-0546（2016）06-0002-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.06.001

一、问题的提出

在中学化学教学，特别是初中化学教学中，许多老师认为可以根据（常温下）金属单质与酸溶液（盐酸、稀硫酸等非氧化性酸）发生置换反应（生成氢气）的剧烈程度即反应速率的大小，来比较或判断金属的活动性强弱，即金属单质与酸溶液发生置换生成氢气的反应越剧烈，则该金属的活动性就越强，反之亦然。在一些公开出版的教辅用书及试题中也经常能见到这样的观点与题目。

请看下列两题所给的答案[1]：

题1.下列事实不能用金属活动性顺序解释的是

A.铜的导电性强于铁

B.锌和镁与稀盐酸反应的剧烈程度不同

C.金属银与稀硫酸不反应

D.铝能将硫酸铜溶液中的铜置换出来

题2.为比较三种金属Mg、Zn、Cu的活动性顺序，下列选用的试剂不能达到目的的是

A.Mg条、Cu片、ZnSO4溶液

B.Mg条、Zn粒、Cu片、稀盐酸

C.Zn粒、Cu片、MgSO4溶液

D.Zn粒、MgCl2溶液、CuCl2溶液

题1给的答案为A。按此答案可给出本题的解答思路主要是：根据在金属活动性顺序里镁位于锌的前面，可知镁比锌的活动性强，所以镁、锌分别与稀盐酸发生置换反应时，镁的剧烈程度要大于锌，即选项B能用金属活动性顺序解释；同理，选项C、D也都能用金属活动性顺序予以解释。但金属的导电性与金属的活动性强弱无关，所以选项A不能用金属活动性顺序解释。

题2给的答案为C。根据此答案可知本题的解答思路主要是：比较三种金属的活动性顺序可以有两种方案，一是通过金属单质分别与盐酸或稀硫酸能否发生置换生成氢气以及反应的剧烈程度来进行，所以选项B能达到目的。二是通过金属单质与有关盐溶液能否发生置换反应来进行判断，在本题又有两种途径：①用Mg条、Cu片分别与ZnSO4溶液混合，看是否发生置换反应，选项A能达到目的；②用Zn粒分别与MgCl2溶液、CuCl2溶液混合，看是否发生置换反应，选项D能达到目的。而MgSO4溶液与Zn粒、Cu片均不能反应，则选项C不能达到目的。

但笔者认为，题1的答案应为AB，题2的答案应为BC。为什么呢？这是由金属活动性顺序的本质决定的。宋心琦先生指出[2]：把金属的活动性和（金属单质与盐酸或稀硫酸发生的）置换反应发生时的剧烈程度相关联，甚至认为二者存在必然的相关性，这种关联在基本概念上是不存在的，即反应剧烈程度和金属的活动性没有内在的相关性。

在教学中，除把金属活动性强弱和置换反应的速率大小相关联外，还有其他一些问题，如不明确其适用条件，将其应用范围扩大化，不注意其教育价值等。

二、金属活动性顺序的含义和适用条件

1. 金属活动性顺序的含义

金属的活动性是金属单质的属性，是指金属单质在常温下的水溶液里失去电子形成水合离子倾向的大小。它以25℃时金属的标准电极电势（φ？夼）为判断依据。金属的标准电极电势越小（越负），其单质在常温的水溶液里失去电子的倾向越强；金属的标准电极电势越大（越正），其单质在常温的水溶液里失去电子的倾向越弱。[3]

金属活动性顺序就是按照金属的标准电极电势由小到大的顺序排列的，即金属活动性顺序表是金属的标准电极电势表的简化。所以，金属活动性顺序反映了在常温的水溶液里不同金属及其对应离子的氧化还原能力的相对强弱。在这个顺序里，金属的位置越靠前，在常温的水溶液里，其单质越容易被氧化即活动性越强，其对应的离子越难被还原；反之亦然。[4]

2. 金属活动性顺序的适用条件[5]

（1）标准电极电势是热力学数据，属于化学热力学范畴，而反应速率属于化学动力学范畴。所以，根据金属活动性顺序对有关置换反应的判断是一种热力学判断，只能指出反应能否发生及完成的程度如何，与反应速率无关，不能说明反应的剧烈程度即速率。如，钠、钙的标准电极电势分别为φ？夼（Na+/Na）=-2.71 V、φ？夼（Ca2+/Ca）=-2.86 V，则在金属活动性顺序里钙排在钠的前面，钙的活动性比钠的强，但是在与水反应时钠比钙剧烈，这种“剧烈”是动力学性质，不是热力学性质，与金属活动性强弱是无关的。

那么，金属的标准电极电势是由哪些能量因素决定的呢？事实证明，要综合考虑固态中的金属原子变成单个气态原子的升华热、气态金属原子失去电子成为离子的电离能、金属离子溶于水并发生水化的水化热等因素。如，钠和钙的水化热分别为-397 kJ·mol-1、-1653 kJ·mol-1，差距较大的水化热是钙的标准电极电势比钠的低的主要原因。

因此，应当严格区别决定金属活动性顺序的内因（标准电极电势）和影响反应速率大小的外因（固态反应物的表面状态与颗粒大小，少量外来或内含的杂质的种类及分布，产物形态等）[2]。化学热力学只讨论反应的可能性、趋势和程度，不讨论反应的速率，反应的趋势和反应的速率不是一回事，反应的趋势大（即平衡常数大）并不表明反应就一定快。这也是本文开头题1、题2所给的答案出现问题的原因。

（2）标准电极电势是在25℃的水溶液中测定的，因而金属活动性顺序只适用于常温下的水溶液里的反应，而对于高温下的反应、非水溶剂（如液氨）的反应和固相反应等均不适用。如，高温下的反应：Na+KClK+NaCl，就不是由金属活动性顺序决定的。

（3）标准电极电势的测定是在25℃和标准状态下进行的，所谓标准状态是指组成电极的离子的浓度为1 mol·L-1、气体的分压为100 kPa、金属是纯净的（严格地说“浓度”和“压力”应为“活度”和“逸度”）。[3]所以，在使用金属活动性顺序解决有关问题时，必须注意这些条件，否则可能会得出错误的结论。

如，在25℃和标准状态下，反应Sn+Pb2+Sn2++Pb可以自发地向右进行，但若c（Pb2+）=0.1 mol·L-1、c（Sn2+）=1 mol·L-1，经计算证明上述反应不能自发地向右进行，而其逆反应却可以自发地进行。[3]这个事实说明离子浓度的变化可能会造成反应方向的改变。

再如，在25℃和标准状态下，H2能将Cu2+从溶液中置换出来得到金属铜。但是，在浓盐酸中与加热的条件下，铜却能置换出浓盐酸中的H+生成氢气：2Cu+4HCl（浓）2H[CuCl2]+H2↑，反应之所以能发生，除温度、盐酸浓度的变化外，还和Cu+与Cl-形成配离子[CuCl2]-使c（Cu+）减小有关，由于c（Cu+）的减小，使铜的电极电势变负，活动性增强。[6]

还有，金属的活动性是指纯金属的性质。有的金属在空气中暴露后表面会生成一层致密的氧化膜，氧化膜能起钝化作用，金属的活动性就会减弱。如铝、铬等。纯铬比纯铁的活动性强，但在空气中铬的表面有氧化膜，就使得铬的实际活动性远小于铁。[6]

（4）金属单质是（在常温的水溶液里）形成稳定的（水合）低价离子。如铁可以形成Fe2+、Fe3+，是指的Fe2+；汞可以形成Hg2+、Hg22+，是指的Hg22+[这可由φ？夼（Hg22+/Hg）=0.797 V、φ？夼（Hg2+/Hg）=0.851 V、φ？夼（Ag+/Ag）=0.799 V，则φ？夼（Hg22+/Hg）<φ？夼（Ag+/Ag）<φ？夼（Hg2+/Hg），在金属活动顺序中汞位于银的前面来确定]。[7]

这里还要注意，是形成的水合金属离子，而不是金属离子与其他非水粒子所形成的配离子或难溶物，否则金属的活动性可能会发生变化。如，在氰化钾溶液中Ag+易与CN-生成稳定的配离子[Ag（CN）2]-，由于该配离子的生成，使c（Ag+）显著减小，结果使这时银的标准电极电势大大地下降：φ？夼（[Ag（CN）2]-/Ag）=-0.31 V，银的活动性就显著地增强。再如，在碱性溶液中，Cu（OH）2+2e-Cu+2OH-的标准电极电势为-0.224 V，比φ？夼（Cu2+/Cu）=0.34 V小，则是因生成难溶的Cu（OH）2，使c（Cu2+）减小的缘故。[6]同样地，AgI+e-Ag+I-的标准电极电势为-0.152 V，这时银的活动性增强了，也是由于生成难溶物AgI，使c（Ag+）减小而造成的。

一般地，若反应时金属单质生成的金属离子转化为其他配离子或难溶物，使水合金属离子的浓度减小时，其标准电极电势将变小，金属的活动性将增强。[6]

另外，φ？夼（Fe2+/Fe）=-0.44 V、φ？夼（Fe3+/Fe）=-0.036 V，即后者较接近于0，这说明铁与非氧化性酸溶液中的H+反应生成Fe3+和H2在热力学上的可能性是较小的，从这一角度可以解释为什么铁与盐酸或稀硫酸等反应是得到Fe2+而不是Fe3+。

通过以上内容可知，金属活动性顺序和所有科学知识一样，它是有条件的、辩证的，不是绝对的、机械的，适用范围是有限的。在运用其解决有关问题时，不能生搬硬套，要根据具体条件、具体内容，进行具体分析，才能得出正确的结论。[6]

三、根据金属活动性顺序可以作出的常见判断

1. 根据金属活动性顺序可以作出的常见判断

根据金属活动性顺序的含义及适用条件，在中学化学里，使用金属活动性顺序可以作出的常见判断主要有：

（1）判断有关金属在水溶液中的活动性强弱。金属的位置越靠前，其单质的活动性或还原性越强，其对应离子的氧化性越弱；反之亦然。

（2）判断有关金属在水溶液中能否发生某些置换反应。①位于氢前面的金属能置换出盐酸、稀硫酸等非氧化性酸中的氢，位于氢后面的金属不能置换出盐酸、稀硫酸等非氧化性酸中的氢。②除钾、钙、钠等外，位于前面的金属能把位于后面的金属从它们的盐溶液中置换出来。

钾、钙、钠等的单质与其他金属的盐溶液（如硫酸铜溶液）反应时，没有相应的金属被置换出来的原因是：钠等与水反应的速率远大于钠等与金属离子反应的速率，且水又是大量的，所以钠等是首先与水剧烈反应生成NaOH和H2，生成的OH-又立即与相应的金属离子反应生成氢氧化物沉淀（注意，这时OH-与金属离子反应的速率又远大于H2与金属离子反应的速率），所以没有相应的金属析出。

（3）判断原电池的正、负极。当两种不同的金属（除钾、钙、钠等外）和有关电解质溶液构成原电池时，一般是活动性较强的金属为原电池的负极，活动性较弱的金属为原电池的正极。

注意，对于镁、铝和NaOH溶液构成的原电池，两金属刚插入时和一段时间后的正负极是不同的。[8]两金属刚插入NaOH溶液中时，负极是镁，正极是铝，此时发生的是镁的吸氧腐蚀，电极反应为：

负极（镁）：2Mg-4e-+4OH-2Mg（OH）2

正极（铝）：O2+4e-+2H2O4OH-

总反应：2Mg+O2+2H2O2Mg（OH）2

一段时间后，反应平稳时，负极是铝，正极是镁（溶液中的水在此电极上得到电子），电极反应为：

负极（铝）：2Al-6e-+8OH-2AlO2-+4H2O

正极（镁）：6H2O+6e-6OH-+3H2↑

总反应：2Al+ 2NaOH+2H2O2NaAlO2+3H2↑

2. 比较金属活动性强弱的常用方法

根据金属活动性顺序的含义，在中学化学里，比较不同金属活动性强弱的常用方法有：

（1）根据金属能否在水溶液中发生有关的置换反应进行比较。①除钾、钙、钠等外，若一种金属（甲）能把另一种金属（乙）从它的盐溶液中置换出来，则甲的活动性比乙的强；否则，甲的活动性比乙的弱。②若金属甲能与水或盐酸、稀硫酸发生置换反应生成氢气，而金属乙不能与水或盐酸、稀硫酸发生置换反应生成氢气，则甲的活动性比乙的强。

（2）根据不同金属与盐酸或稀硫酸发生置换反应前后溶液的温度变化进行比较。[9]不同的金属分别与盐酸或稀硫酸等非氧化性酸发生置换反应时，反应所放出的热量是不同的，进而会造成溶液的温度变化不同，据此能够比较不同金属的活动性强弱。

当不同的金属（等质量且均过量）分别与相同体积的同一酸溶液充分反应时，溶液的温度变化越大，金属的活动性就越强；溶液的温度变化越小，金属的活动性就越弱。如，在气温11℃时，用镁条、锌粒、铁屑、铜丝各1 g，分别与5 mL 2 mol/L盐酸在试管中反应，所测得的相关温度数据见表1。

（3）根据原电池的正、负极进行比较。当两种不同的金属（除钾、钙、钠等外）和有关电解质溶液构成原电池时，作负极的金属的活动性一般比作正极的金属的活动性要强。同样地，需要注意镁、铝和NaOH溶液等构成的这类原电池，在两金属刚插入时和一段时间后的正负极的改变。

四、金属活动性顺序的教育价值

1.利用金属活动性顺序表的诞生和发展的史实[10]，进行科学的发展性特征的教育

1812年瑞典化学家贝齐里乌斯根据实验现象最先提出了金属活动顺序。后来，俄国化学家贝开托夫在进行大量实验和系统研究后，于1865年给出了较为完整的金属置换顺序：

K Na Ca Mg Al Zn Fe Sn

Pb H Cu Hg Ag Au

这个顺序被长期使用。在19世纪70年代出现了金属活动性顺序表的概念：

K Na Ca Mg Al Mn Zn Fe Ni Sn

Pb H Cu Hg Ag Pt Au

显然，这个顺序是按实际反应的剧烈程度即速率大小排列的定性、经验规律。

随着认识的深入，科学家发现标准电极电势是衡量金属单质在水溶液中活动性强弱的更本质的定量尺度。据此有现行的金属活动顺序：

K Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn

Pb H Cu Hg Ag Pt Au

科学知识是人类对客观世界本质属性的认识，而人类的认识是一个不断深入、发展的过程（由感性到理性，由现象到本质，由宏观到微观，不断探索更新完善，不断接近真理）。随着科学知识的积累、研究手段的多样，人类对相关本质的认识会不断逼近，这必然决定了科学知识及科学具有发展性的特征。[11]金属活动性顺序表的诞生和发展的历史，可使学生认识到科学知识发展的渐进性，受到科学的发展性特征的教育。

其实，这方面的事实在化学及各门科学中俯拾皆是。如化合价、酸、碱等概念，在不同的时代人们给出了不同的界定[11]。而被称为化学史上两大里程碑之一的门捷列夫的元素周期律的发现和发展，在反映科学的发展性特征上更是表现的淋漓尽致（另一里程碑是道尔顿提出的原子论）。门捷列夫在前人工作的基础上，进行了长期艰辛的探索，终于在1869年发现了元素周期律（元素的性质随着相对原子质量的增加而周期性地改变），同时他把当时已知的63种元素按这一规律进行排列，公布了他的第一张元素周期表。由于时代的局限，门捷列夫未能认识到元素性质周期性变化的本质所在。到了20世纪初，随着科学技术的发展，人们对原子结构有了更深入的认识（电子、物质放射性的发现和原子结构模型的建立等），这时才真正认识到元素性质周期性变化的本质。1913年年仅25岁的英国物理学家莫斯莱通过研究指出，周期表中的原子序数就是原子的核电荷数，由此揭示了核电荷数才是周期表中元素排列的内在依据。这样，人们对元素周期律的认识深化了，认识到元素周期性变化的本质不是元素的相对原子质量，而是原子的核电荷数，元素性质的周期性决定于原子电子层结构的周期性。[12]

门捷列夫提出的元素周期律有局限性，并不完全正确，其历史原因是在当时人们对原子的内部结构还不了解。随着科学的发展，科学家将这一伟大的自然规律放到更严密更科学的原子结构的基础上，进而认识到元素周期律的本质。[13]

还有，门捷列夫时期的元素周期表是没有0族的（当时稀有气体尚未发现），由第Ⅶ主族的强非金属到第Ⅰ主族的强金属间的突变，对于元素周期表的结构及主族间元素性质的递变显示的是那么的生硬突兀。后来，稀有气体被发现，加上了0族元素作为两族间的过渡之后，元素周期表的结构及元素性质的递变则是显得那么的自然和谐完美。[14]

再如，关于稀有气体这一名称的问题。过去，人们认为这些气体不能与其他物质发生化学反应（是完全惰性的），曾长期把它们叫做惰性气体。但是，自从1962年英国化学家巴特勒合成出第一个稀有气体化合物（Xe+1[PtF6]-1）之后，至今合成得到的稀有气体化合物已有很多，并形成了一个名为稀有气体化学的分支学科。正是由于这些化合物的获得，使人们对惰性气体的“惰性”有了新的认识，进而迫使科学界把惰性气体改名为稀有气体。[14]

总之，科学探索是无止境的。各门科学中都有许多问题人类还没有能完全解决或被人类所了解。人类已经获得的科学知识仅仅是从某个角度、某个层次，利用现有的资源所能达到的对客观世界的认识（且其正确性还要不断地检验和完善）。所以，发展性是各门科学的共同特征之一。这个特征也许就是科学能不断发展的动力之一及科学迷人的原因之一吧。[11]

根据学生化学基础的实际，用他们能够接受的内容与形式对他们进行相关化学知识的发展性特征的教育，对促进他们科学素养和人文素养的发展具有良好的智力价值与非智力价值。通过这些内容的教学，既可以增强学习兴趣，更全面深刻地认识化学知识、化学研究的过程和方法；又可以感受到科学家严谨的科学态度，勇于探索、追求真理、不畏权威、大胆质疑甚至不惜生命等优秀的思想品德和丰富美好的精神世界；还可以体会到任何真理都是相对的，科学的发展永远不会停滞，把相对真理当成永远不变的教条是违反客观世界的本来面目和人类认识的基本规律的，宋心琦先生说[14]：“对所有的理论或实验结论，都应当承认存在不确定性，发现它们并通过持续不断地探究活动，使不确定性不断降低，正是一切科学工作的灵魂”，同时，对待一位科学家或科学事件的评价，要放在当时的特定条件下去进行历史的分析，既肯定其功绩，又看到不足，不以偏概全，理解其历史阶段性、局限性，从而发展学生正确的世界观和方法论。

2.利用金属活动性顺序整合金属冶炼的知识，进行STS教育

人类使用不同金属及金属材料的先后与金属冶炼的难易有关。使化合态的金属转变为金属单质的惟一方式是化学反应，金属活动性是选择金属冶炼的反应原理和方法的主要依据。在金属活动性顺序中，金属的位置越靠后，用一般的还原方法就能使其化合态还原；金属的位置越靠前，其化合态越难被还原，活泼的金属只能用最强的还原手段使其化合态还原。由此可知，金属活动性是冶金工业的主要科学基础。

在教学中，学生对金属冶炼的知识是分散学习的。如，在水溶液中实现的金属置换法（湿法冶金工艺之一），在高温下用焦炭还原金属氧化物的方法（火法冶金工艺之一。还可用氢气、一氧化碳、铝等作还原剂），在熔融状态或水溶液中通过电解制备金属的方法（电冶金工艺）。如果用金属活动性顺序把这些零散的知识进行整合，不仅可以将这些看似毫无关系的内容建立起联系、结构化，而且还能够深化对STS关系的认识。上述3种方法和金属活动性顺序大致对应，3种方法的还原能力依次增强（后者可以代替前者）。最强的还原手段——电解法是一种普遍适用的方法，其氧化还原能力来自与物质无关的外加电势，但这不是“天赐”，而是人类智慧和创造力的产物（体现了科学技术对社会进步的促进作用）。那么，为什么电解法并不是冶金工艺的唯一方案呢？这是因为科学主要解决的是“可能”的问题，而技术（工艺）不仅要考虑可能，还要考虑“可行”的问题（包括资源、能源、环保、产品质量标准、成本和市场等），有时后者起决定性的作用。再者，当遇到某种在金属活动顺序表中没有列入的金属时，由其工业冶炼方法可以猜测它在表中的大致位置。[2]

这样，让学生在三维内容融为一体的金属冶炼的生产实际中去学习，既可深化对有关知识等的理解，促进综合学力的建构与思维品质的煅铸，又可进一步认识化学、技术与社会之间的相互关系。

金属活动性顺序犹如一根线将看似毫不相关的各种金属联接到了一起，揭示了金属、酸和盐等物质之间变化的关系、内在规律及社会价值，给学生体会客观世界在本质上是有秩序的、有规律的（且这些秩序、规律是可认识的、有价值的和可利用的）提供了一个新的视角。

参考文献

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