關(guān)于金屬活動(dòng)性順序的若干問(wèn)題

王靈柱柳兆華

（1阜陽(yáng)師范學(xué)院附屬中學(xué)安徽阜陽(yáng)236000；2阜陽(yáng)市教育局教研室安徽阜陽(yáng)236000）

在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中經(jīng)常要利用到金屬活動(dòng)性順序來(lái)解釋金屬參與化學(xué)反應(yīng)的現(xiàn)象，但很多有金屬參加的化學(xué)反應(yīng)所呈現(xiàn)的現(xiàn)象與金屬活動(dòng)性順序不符，這就要求教師要對(duì)金屬活動(dòng)性順序及其應(yīng)用有深入的了解，才能給學(xué)生提供正確的解釋。

1812年瑞典化學(xué)家貝采利烏斯基根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象首先提出了金屬活動(dòng)性順序的概念，后來(lái)俄國(guó)化學(xué)家貝開(kāi)托夫又在大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)研究之后，于1865年發(fā)表了金屬置換順序——金屬活動(dòng)性順序表。

KNaCaMgAlZnFeSnPbHCu HgAgPtAu

此表一直使用了近百年。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)金屬在水溶液中還原能力的大小與金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位數(shù)值的大小相關(guān)，于是人們據(jù)此重新排布了金屬的活動(dòng)順序，成為現(xiàn)在的金屬活動(dòng)性順序表。

KCaNaMgAlZnFeSnPb（H）CuHgAgPtAu

一、金屬活動(dòng)性順序表反映了金屬原子活動(dòng)性大小的順序，而不是金屬性強(qiáng)弱的順序

金屬在水溶液中還原（失去電子）能力的大小與金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位數(shù)值的大小相關(guān)。

排布順序電極電位E0（伏）

KK++e-=K-2.924

CaCa2++2e-=Ca-2.76

NaNa++e-=Na-2.7109

MgMg2++2e-=Mg-2.375

AlAl3++3e-=Al-1.706

ZnZn2++2e-=Zn-0.7628

FeFe2++2e-=Fe-0.4402

SnSn2++2e-=Sn-0.1364

PbPb2++2e-=Pb-0.1263

H22H++2e-=H20.000

CuCu2++2e-=Cu0.3402

HgHg22++2e-=2Hg0.7989

AgAg++e-=Ag0.7996

PtPt2++2e-=Pt1.2

AuAu3++3e-=Au1.42

上述的電極反應(yīng)與電極電位的數(shù)值表明：現(xiàn)行中學(xué)教科書(shū)中的金屬活動(dòng)性順序表是按金屬在水溶液中形成穩(wěn)定的低價(jià)陽(yáng)離子的標(biāo)準(zhǔn)電極電位由小而大的順序排列而成的，它表示了金屬固體在水溶液中形成水合離子的能力由大到小的順序，即表示了金屬活動(dòng)性大小的順序。

元素的金屬性和金屬的活動(dòng)性是既有聯(lián)系又有一定差別的兩個(gè)不同的概念，前者常以元素的電離能（I）作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，它反映氣態(tài)原子失去電子形成氣態(tài)陽(yáng)離子的能力，它是金屬原子在氣態(tài)時(shí)活潑性的量度。而后者是以標(biāo)準(zhǔn)電極電位（E0）作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，它反映了金屬固體在水溶液中形成水合離子的能力。I與E0雖然都能反映金屬元素失去電子能力的大小，但二者所處的環(huán)境不同，這顯然是有區(qū)別的。正因?yàn)槿绱?，在用I與E0分別表示元素的金屬性與金屬的活動(dòng)性強(qiáng)弱時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不一致的情況。例如，堿金屬元素Li、Na、K、Rb、Cs的第一電離能分別為520kJ/mol、496kJ/mol、419kJ/mol、403kJ/mol、376kJ/mol，由此可知，氣態(tài)鋰原子最不容易失去電子。但在溶液中鋰原子卻表現(xiàn)出異常的活潑性，其主要原因是鋰原子形成水合離子時(shí)放出520kJ/mol的熱量，而鈉形成水合離子時(shí)放出的能量為405kJ/mol。Na的第一電離能為496kJ/mol，而Ca的第一電離能和第二電離能分別為590kJ/mol、1145kJ/mol，表明氣態(tài)鈉原子比氣態(tài)鈣原子更容易失去電子，更加活潑。但是，由于鈣離子形成水合離子時(shí)放出的能量（1653kJ/mol）遠(yuǎn)比鈉離子形成水合離子時(shí)放出的能量多，所以在水溶液里鈣原子比鈉原子更容易失去電子，即在金屬活潑性順序中鈣排在鈉的前面。

二、金屬活動(dòng)性順序只適用于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下

一般說(shuō)來(lái)，金屬活動(dòng)性順序表里前面的金屬能將后面的金屬?gòu)乃鼈兊柠}溶液里置換出來(lái)，指的是在標(biāo)準(zhǔn)狀況或離子濃度相近的情況下。所謂標(biāo)準(zhǔn)狀況就是指25℃，離子濃度為1mol/L（嚴(yán)格說(shuō)離子活度a=1），氣體分壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)的狀況。若為非標(biāo)準(zhǔn)狀況下，則上述規(guī)律就會(huì)被打破。

例如，在金屬活動(dòng)性順序表中，Cu、Ag位于氫之后，標(biāo)準(zhǔn)狀況下不能與非氧化的酸反應(yīng)生成氫氣。但在加熱條件，Cu與濃鹽酸、Ag與氫碘酸均可發(fā)生反應(yīng)而生成H2。

Cu+4HCl（濃）＝2H［CuCl2］+H2↑

2Ag+2HI＝2AgI+H2↑

這兩個(gè)反應(yīng)之所以可以進(jìn)行，是因?yàn)榻j(luò)離子［CuCl2］-和AgI沉淀的生成，大大降低了Cu+和Ag+的濃度，使二者的電極電位降低到比H的電極電位還小，增加了Cu、Ag的還原性，故可發(fā)生反應(yīng)。

再例如，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下Sn和Pb的電極電位分別為-0.136ev和-0.126ev，所以Sn的活動(dòng)性大于Pb，可以發(fā)生置換反應(yīng)：

Sn+Pb2+＝Sn2++Pb

但在非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，如果Sn2+的濃度是Pb2+的3倍以上時(shí)，Pb的電極電位更負(fù)，Pb反應(yīng)比Sn更活潑，反應(yīng)向相反方向進(jìn)行，即：

Sn2++Pb＝Sn+Pb2+

三、金屬活動(dòng)性順序只適用于濕態(tài)而不適用于干態(tài)

根據(jù)金屬活動(dòng)性順序的排布原則以及金屬活動(dòng)性的概念可知：使用金屬活動(dòng)性順序表只能判斷金屬?gòu)乃泻退嶂兄脫Q出氫的難易及金屬在鹽溶液中發(fā)生置換反應(yīng)的方向，而不適用于其他狀態(tài)，即不能用它去說(shuō)明一切涉及有金屬單質(zhì)參與的置換反應(yīng)以及反應(yīng)生成物。

例如，根據(jù)金屬活動(dòng)性順序表，H2不可能把Zn從化合物中還原出來(lái)，但在干態(tài)下就能實(shí)現(xiàn)此種變化。

ZnO+H2＝Zn+H2O

再例如，根據(jù)順序表鉀比鈉活潑，但是在熔融狀態(tài)下，利用二者熔點(diǎn)的差異，活潑性相對(duì)較小的Na可以將活潑性較大的鉀從化合物中置換出來(lái)。

Na+KCl=△K↑+NaCl

工業(yè)上就是利用這一反應(yīng)制取金屬鉀。

四、金屬活動(dòng)性順序只能判斷金屬與穩(wěn)定存在于溶液中的低價(jià)陽(yáng)離子、非氧化性酸之間的置換反應(yīng)

根據(jù)金屬活動(dòng)性順序表的排布原則知，此順序可以作為判斷金屬與穩(wěn)定存在于溶液中的低價(jià)陽(yáng)離子、非氧化性酸之間的置換反應(yīng)，而不能推廣至金屬高價(jià)陽(yáng)離子（如Fe3+、Sn4+）以及氧化性的酸（HNO3、濃H2SO4）之間的非置換反應(yīng)。

例如，Cu位于金屬活動(dòng)性順序表中氫的后面，它表明了Cu不與較活潑的金屬的低價(jià)鹽反應(yīng)，也不與稀HCl、稀H2SO4等反應(yīng)，但不表明Cu與Fe3+、HNO3、濃H2SO4也不反應(yīng)。事實(shí)上Cu與具有強(qiáng)氧化性的Fe3+、HNO3、濃H2SO4均可以發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

如：Cu+2FeCl3=CuCl2+2FeCl2、Cu+4HNO3（濃）=Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O等。

五、金屬活動(dòng)性順序只適于純凈的固體金屬，因?yàn)榻饘俚幕顒?dòng)性與金屬的純度及其表面狀態(tài)也有關(guān)系

例如：Al和Zn組成原電池時(shí)，根據(jù)電池理論Al應(yīng)為負(fù)極，Zn為正極，但實(shí)驗(yàn)證明Zn是負(fù)極。其原因就是因?yàn)锳l表面有一層致密的、絕緣的氧化膜，由于它的覆蓋使鋁的電極電位升高（由-1.67V提高到-1.5V）而所致。

再如純金塊不溶于鹽酸，但膠體狀態(tài)的金可以溶解在鹽酸中，這是由于在膠體狀態(tài)時(shí)，金具有較大表面能而所致。

六、金屬活動(dòng)性順序表只能作為在溶液中進(jìn)行的置換反應(yīng)能否發(fā)生的判據(jù)，而不能作為反應(yīng)速率大小的判據(jù)

按標(biāo)準(zhǔn)電極電位由小到大順序排列出的金屬活動(dòng)性順序表，只是從熱力學(xué)的角度指出了氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的可能性以及趨勢(shì)的大小，應(yīng)用它可以確定置換反應(yīng)的方向和反應(yīng)的產(chǎn)物。而反應(yīng)速率屬于動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題，故不能用金屬活動(dòng)性順序去判斷金屬與酸等反應(yīng)的激烈程度，即不能用熱力學(xué)的數(shù)據(jù)去說(shuō)明動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題。

誠(chéng)然，在大多數(shù)情況下，活動(dòng)性較強(qiáng)的金屬與水、非氧化性酸反應(yīng)較激烈，例如與水反應(yīng)，在相同的條件下鉀比鈉激烈；與酸反應(yīng)，在相同條件下Mg比Al激烈。但不要錯(cuò)誤地認(rèn)為這就是規(guī)律。因?yàn)橛绊懛磻?yīng)速率大小的因素很多，很復(fù)雜，所以常有許多例外出現(xiàn)。

例如，在金屬活動(dòng)性順序表中，Ca在Na之前，但是在相同條件下與水反應(yīng)時(shí)，Na要激烈得多，這是因?yàn)镃a與水反應(yīng)時(shí)生成了微溶的Ca（OH）2覆蓋在Ca的表面而所致。

再如，在金屬活動(dòng)性順序表中Zn位于Fe之前，但在相同條件下與稀H2SO4反應(yīng)時(shí)，F(xiàn)e比Zn激烈。這是由于氫在鋅表面上的過(guò)電位比鐵大而所致。

總之，在進(jìn)行《金屬活動(dòng)性順序》教學(xué)時(shí)要注意其應(yīng)用范圍，要能夠從理論上來(lái)解釋與金屬活動(dòng)性順序表不一致的現(xiàn)象，只有這樣才能保證在教學(xué)中不傳授錯(cuò)誤知識(shí)，確保知識(shí)傳授的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

［1］中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）［S］.北京：人民教育出版社，2003

［2］李俊.淺談金屬性與金屬活動(dòng)性［J］.沈陽(yáng)教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，（12）：223~224

［3］曹錫章等.無(wú)機(jī)化學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2007