探究pH相同的鹽酸、醋酸與活潑金屬的初始反應(yīng)速率

施志斌

摘要：通過實(shí)驗(yàn)探究了稀鹽酸和醋酸溶液分別與鎂、鋅、鐵等金屬反應(yīng)的相對速率大小，發(fā)現(xiàn)鹽酸和醋酸的pH相同時，鎂、鋅、鐵等金屬在醋酸溶液中的初始反應(yīng)速率更快。從動力學(xué)的角度看，HAc、Ac-能促進(jìn)H+的傳質(zhì)與吸附，并很可能參與了H+與活潑金屬反應(yīng)的歷程。

關(guān)鍵詞：鹽酸；醋酸；活潑金屬；反應(yīng)速率；動力學(xué)

文章編號：1005–6629（2015）3–0045–04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 問題的提出

在中學(xué)“電離平衡”一章的學(xué)習(xí)過程中，經(jīng)常會遇到類似于以下的題目：

pH相同且等體積的稀鹽酸溶液A和醋酸溶液B，分別加入相同大小的鋅粒進(jìn)行反應(yīng)，初始反應(yīng)速率νA____ νB；反應(yīng)一段時間之后，速率νA ____νB。（填“>”、“<”或“=”。）

不少教師和教輔資料認(rèn)為：從反應(yīng)的本質(zhì)來說，金屬是與酸電離出的H+反應(yīng)。若稀鹽酸和醋酸中的[H+]相同，則兩種溶液與鋅初始反應(yīng)時速率相同；但醋酸是弱電解質(zhì)，在反應(yīng)過程中，溶液中未電離的醋酸能不斷電離提供H+，避免[H+]降低太快，因而平均反應(yīng)速率更快。

以上解析和答案是基于“金屬與酸置換氫氣的反應(yīng)速率只由[H+]決定”和“反應(yīng)過程中，鹽酸中[H+]下降快，醋酸中[H+]下降慢”而得出的。那么，實(shí)際情況是否與上述的理論分析所得結(jié)論一致？

2 實(shí)驗(yàn)探究

將中國醫(yī)藥集團(tuán)生產(chǎn)的分析純鹽酸和冰醋酸分別配成稀溶液，小心地調(diào)節(jié)pH值使之一致，用大普數(shù)字酸度計（PHS-25）型測得pH均為2.03。選取質(zhì)量均為0.4g圓餅狀的鋅粒若干備用，使用前均用較濃的鹽酸除去表面堿式碳酸鋅等覆蓋層，然后用蒸餾水將鋅粒沖洗干凈，并用濾紙吸干其表面的水分。另外，下面實(shí)驗(yàn)中所用的鎂條裁剪為2.0cm長度，鐵片裁剪為1.0cm×1.0cm的正方形，金屬表面氧化膜的處理方法與鋅粒相同。

實(shí)驗(yàn)1 各取40mL pH均為2.03的稀鹽酸和醋酸溶液于兩只小燒杯，同時加入一粒鋅粒，發(fā)現(xiàn)醋酸與鋅反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡更快，具體現(xiàn)象見表1。為了避免鋅粒表面積的細(xì)微差別對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，做了兩類重復(fù)實(shí)驗(yàn)：（1）另取40mL兩種溶液，將原實(shí)驗(yàn)使用過的鋅粒清洗干凈，交換所投溶液；（2）另取40mL兩種溶液和經(jīng)過處理但未使用過的鋅粒，觀察現(xiàn)象，5min后實(shí)驗(yàn)結(jié)束，按操作（1）交換鋅粒所投溶液再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與原實(shí)驗(yàn)相同，鋅在醋酸中的反應(yīng)速率均比在鹽酸中快。

兩種酸溶液所取的量較多，且鋅在兩種溶液中的反應(yīng)速率都比較慢，因此，反應(yīng)5min后溶液的pH都沒有明顯變化?？梢姡}酸與鋅反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡比醋酸慢，并非由于鹽酸溶液中的[H+]下降更快造成的。

為了確認(rèn)鋅與酸反應(yīng)的初始速率是否只與[H+]有關(guān)，還需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)2 往剩余的稀鹽酸中滴加一滴濃鹽酸后，測得pH=1.84。各取40mL pH=1.84的稀鹽酸和pH=2.03的醋酸溶液于兩只小燒杯，同時加入一粒鋅粒，具體現(xiàn)象見表2。重復(fù)實(shí)驗(yàn)的方法與實(shí)驗(yàn)1相同。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然醋酸溶液的pH比鹽酸大，但鋅在醋酸溶液中的反應(yīng)速率依然更快。

醋酸溶液的pH高，[H+]小，但與鋅的反應(yīng)速率卻更快，可以判斷鹽酸、醋酸pH相同時二者與鋅反應(yīng)的初始速率是不同的。這說明鋅與酸反應(yīng)速率不僅與[H+]有關(guān)，還可能與其他一些因素有關(guān)。

那么是哪些因素影響了鋅與酸反應(yīng)的速率？這些因素的影響作用大小如何？

實(shí)驗(yàn)3 各取40mL醋酸溶液于三只小燒杯，燒杯①加入0.2g氯化鈉，燒杯②加入0.2g醋酸鈉，燒杯③空白。同時往三只燒杯中加入一粒鋅粒，現(xiàn)象見表3。另取溶液和鋅粒，重復(fù)實(shí)驗(yàn)兩次，氣泡逸出速率大小順序與表3所列現(xiàn)象一致。

相比于燒杯③，由于燒杯①中存在鹽效應(yīng)，醋酸的電離程度增大，[H+]、[Ac-]增大，[HAc]減小；燒杯②中則受到同離子效應(yīng)的影響，醋酸的電離程度降低，[Ac-]、[HAc]增大，[H+]減小。從反應(yīng)速率：①>③>②來看，[H+]對鋅與醋酸反應(yīng)速率的影響比較明顯。

實(shí)驗(yàn)4 另取醋酸溶液各40mL于三只小燒杯，燒杯④加入0.2g氯化鈉，燒杯⑤加入0.2g醋酸鈉，燒杯⑥空白，并往燒杯④和燒杯⑥加入水進(jìn)行稀釋（燒杯④加入水的量大于燒杯⑥），使pH值相同。棄去燒杯④和燒杯⑥中部分溶液，使三只燒杯的溶液體積均為40mL。同時往三只燒杯中加入一粒鋅粒，現(xiàn)象見表4。另取溶液和鋅粒，重復(fù)實(shí)驗(yàn)兩次，氣泡逸出速率大小順序與表4所列現(xiàn)象一致。

根據(jù)電荷守恒，燒杯④中[Na+]=[Cl-]且燒杯④和⑥的pH相等，所以，燒杯④和⑥的[Ac-]相等；相比于燒杯⑥，燒杯④存在鹽效應(yīng)而醋酸電離程度比燒杯⑥大且燒杯④加入更多的水進(jìn)行稀釋，因此，燒杯④中[HAc]比燒杯⑥小。由于燒杯⑤加入醋酸鈉產(chǎn)生的同離子效應(yīng)，[Ac-]、[HAc]均比燒杯⑥中大。從反應(yīng)速率⑤>④≈⑥來看，當(dāng)[H+]相同時，[HAc]、[Ac-]對鋅與醋酸反應(yīng)的速率也有一定的影響。

那么，其他金屬是否也有與鋅一樣的現(xiàn)象？

實(shí)驗(yàn)5 用鎂條、鐵片代替鋅粒，按實(shí)驗(yàn)2、3、4方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于鎂與酸反應(yīng)速率較快，因此重復(fù)實(shí)驗(yàn)時，另取鎂條與溶液反應(yīng)；而鐵在酸中的反應(yīng)速率比鋅慢，所以重復(fù)實(shí)驗(yàn)的方案與鋅相同。實(shí)驗(yàn)中，均能觀察到與鋅類似的現(xiàn)象——Mg、Fe在pH相同的醋酸溶液中反應(yīng)速率更快，除了[H+]外，[Ac-]和[HAc]對反應(yīng)速率也有一定的影響。

3 理論分析

從上述實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，通常[H+]相差較大時（如實(shí)驗(yàn)3），[H+]是影響速率的主要因素，而當(dāng)[H+]相近時（如實(shí)驗(yàn)1、2、4），[HAc]、[Ac-]等微粒濃度對反應(yīng)速率也有一定的影響。那么，HAc、Ac-如何影響活潑金屬與醋酸的反應(yīng)速率？

廣義上，金屬單質(zhì)反應(yīng)生成化合物，即可稱為腐蝕。而金屬在電解質(zhì)溶液中反應(yīng)的問題，均可用腐蝕電化學(xué)知識進(jìn)行解釋。活潑金屬與酸反應(yīng)必須發(fā)生在金屬表面，電子的傳遞是間接的，反應(yīng)過程遵循電化學(xué)原理。同一金屬表面上存在金屬失電子和氫離子得電子的電極反應(yīng)耦合，是一種二重電極[1]。通常，活潑金屬與鹽酸、醋酸反應(yīng)時，不易生成阻礙金屬繼續(xù)參加反應(yīng)的難溶物，因而整體反應(yīng)速率往往由氫氣析出過程所控制。

由于實(shí)驗(yàn)中觀察到鎂、鋅與鐵的現(xiàn)象類似，因此，鎂、鋅在醋酸溶液中的反應(yīng)，吸附在金屬表面的HAc、Ac-也很有可能參與了H+與這些金屬的反應(yīng)歷程，并促進(jìn)了反應(yīng)速率。

4 總結(jié)

嚴(yán)宣申教授曾在《化學(xué)實(shí)驗(yàn)的啟示與科學(xué)思維的訓(xùn)練》中強(qiáng)調(diào)，“即使很簡單的問題，也往往涉及幾個因素”，因而在進(jìn)行知識遷移時“單因素考慮問題不全面”[4]。教學(xué)過程中為了突出“弱電解質(zhì)的電離是不完全”的知識，經(jīng)常以“等物質(zhì)的量濃度的鹽酸、醋酸與活潑金屬反應(yīng)，醋酸的反應(yīng)速率較慢是由于醋酸不完全電離，[H+]小造成的”為習(xí)題加以鞏固。但活潑金屬與酸發(fā)生析氫反應(yīng)的速率，不僅受到金屬本性、[H+]的影響，還受到酸根陰離子和表面吸附微粒等因素的影響。將“物質(zhì)的量濃度相同”的特定情況下[H+]是影響速率的主要因素，當(dāng)做是唯一的影響因素加以推廣，則會出錯。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹楚南.腐蝕電化學(xué)原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：34～39.

[2]王文英，馬建麗.鋅含雜質(zhì)提高產(chǎn)氫速率的熱力學(xué)和動力學(xué)本質(zhì)[J].衡水師專學(xué)報（自然科學(xué)版），2001，3（2）：34～36.

[3]高延敏，王紹明，徐永祥等.A3鋼在乙酸中的腐蝕行為和機(jī)理[J].腐蝕與防護(hù)，2006，27（1）：11～13.

[4]嚴(yán)宣申.化學(xué)實(shí)驗(yàn)的啟示與科學(xué)思維的訓(xùn)練[M].北京：北京大學(xué)出版社，1993：59.