“鈦”不容易

魏軍

摘要：鈦是一種新金屬，由于它具有一系列優(yōu)異特性，被廣泛用于航空、航天等工業(yè)生產(chǎn)中，它被譽(yù)為“21世紀(jì)的金屬”。在一次初中化學(xué)課上，以鈦為主題的教學(xué)中，學(xué)生設(shè)計(jì)了幾組研究鈦的金屬活動性的實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了理想與現(xiàn)實(shí)的差距，在解決問題中，他們學(xué)會了像化學(xué)家那樣研究問題。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)探究;鈦的活動性;金屬活動性順序;適用范圍;特例

文章編號：1008-0546（2018）12-0018-02中圖分類號：G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.12.006

一、問題的提出

金屬活動性是指金屬原子失去電子的難易程度。1864年，俄羅斯化學(xué)家貝開托夫在研究了金屬與金屬離子間的置換反應(yīng)和金屬單質(zhì)與水和酸反應(yīng)的劇烈程度的基礎(chǔ)上，得出一個相對完整的金屬活動順序表。隨著化學(xué)理論的發(fā)展，由定性走向定量，用金屬的電極電勢來定量地表示其在溶液中還原能力的大小，它是相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電極電勢，即標(biāo)準(zhǔn)電極電勢。標(biāo)準(zhǔn)電極電勢越小，該金屬的還原性越強(qiáng)。金屬活動性是反映一個金屬單質(zhì)在水溶液中失去電子，形成水合離子的一種能力大小，也就是其在水溶液中被氧化的難易程度。因此初中化學(xué)中，金屬能否與酸反應(yīng)、一種金屬與其它金屬的鹽溶液能否發(fā)生置換反應(yīng)是判斷金屬活動性兩種常用方法。

金屬鈦的活動性如何？它在金屬活動順序表中的位置如何？在一次化學(xué)專題復(fù)習(xí)課中，老師提出一個問題，如何確定鎂、鈦、銅的金屬活動性？學(xué)生根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)，老師提供的藥品，查閱的鈦在金屬活動順序表中的位置，設(shè)計(jì)如下三種方案：①M(fèi)g、Ti、Cu、硫酸溶液;②Mg、TiCl3溶液、Cu;③MgSO4溶液、Ti、CuSO4溶液。在接下來的實(shí)驗(yàn)過程中，真的能如同學(xué)們想得那樣嗎？

二、探究中驗(yàn)證

同學(xué)們根據(jù)方案①，設(shè)計(jì)了如下表1和圖1中的實(shí)驗(yàn)。

首先針對方案①，學(xué)生們?nèi)ゲ殚嗁Y料發(fā)現(xiàn)，常溫下，鈦與7%以下的鹽酸、5%以下的硫酸、硝酸、王水均不反應(yīng)。只有氫氟酸、濃鹽酸、濃硫酸才能反應(yīng)。于是，考慮到鹽酸的揮發(fā)性，最終同學(xué)們用40%的硫酸溶液（相同體積）與大小形態(tài)相同的Mg、Ti、Cu片反應(yīng)，順利完成了實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，根據(jù)鎂與鈦與硫酸反應(yīng)的劇烈程度得出它們的活動性并不很科學(xué)。

方案②，同學(xué)們設(shè)計(jì)了如表2和圖2的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)1中產(chǎn)生氣體，同學(xué)們猜想，可能是氫氣或氯氣，后來查閱資料得出，氯氣是黃綠色、有刺激性氣味的氣體。聞氣味，無味，用拇指堵住試管口，靠近酒精燈的火焰，松開拇指，聽到尖銳的爆鳴聲，說明產(chǎn)生的氣體是氫氣。同學(xué)們思考后得出溶液呈酸性。進(jìn)一步查閱資料：TiCl3+3H2O=Ti（OH）3+3HCl，由于鹽類的水解反應(yīng)，導(dǎo)致某些鹽呈酸性。黑色固體的成分是什么？學(xué)生猜想可能是鈦或鎂顆?；蚴莾烧叩幕旌衔?，查閱資料可知，鈦與7%以下的鹽酸不反應(yīng)，將固體放入5%的稀鹽酸中，固體完全消失，證明固體中不含鈦。所以黑色固體可能是鎂。三價鈦離子具有很強(qiáng)的還原性，在此實(shí)驗(yàn)條件下，易被氧化成TiO2+離子，可以在pH<1的條件下，加入H2O2溶液，溶液呈現(xiàn)橙色。

由于鎂與三氯化鈦溶液的反應(yīng)體系很復(fù)雜，存在多個反應(yīng)，方案②不適于比較此三種金屬的活動性。

于是某同學(xué)聯(lián)想到滬教版下冊化學(xué)第九章Cu-Zn原電池，可以證明鋅的活動性比銅強(qiáng)，設(shè)計(jì)了如下圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)Ti極上有紅色的物質(zhì)析出，電流表向右偏轉(zhuǎn)。老師很快就否定了他們的答案，因?yàn)樨?fù)極上鎂原子失去電子，形成鎂離子，正極上，銅離子得到電子形成銅單質(zhì)，這個實(shí)驗(yàn)只能說明鎂的金屬活動性大于銅。有同學(xué)將鎂條換成了銅棒，并沒有發(fā)現(xiàn)期望的銅極上有紅色的固體析出。由于鈦表面上的鈍化膜很穩(wěn)定，決定了它在做電極材料時，很難失去電子。

接著，同學(xué)們開始方案③的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，如圖4，表3所示。

同學(xué)們根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案②，解釋了由于鈦表面的氧化膜，所以它不能置換出硫酸銅溶液中的銅。方案③也不能來驗(yàn)證這三種金屬的活動性。

三、理論追蹤

鎂、鈦、銅的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢如下表4。

標(biāo)準(zhǔn)電極電勢是可逆電極在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)及平衡態(tài)時的電勢，也是標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時的電極電勢。指的是當(dāng)溫度為25℃，金屬離子的有效濃度為1mol/L（即活度為1）時測得的平衡電位。標(biāo)準(zhǔn)電極電勢有很強(qiáng)的實(shí)用價值，可用來判斷氧化劑與還原劑的相對強(qiáng)弱，判斷氧化還原反應(yīng)的進(jìn)行方向，計(jì)算原電池的電動勢、反應(yīng)自由能、平衡常數(shù)，計(jì)算其它半反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢等。在表4中，鎂、鈦、銅的還原態(tài)的還原能力逐漸減弱。

四、總結(jié)反思

1.根據(jù)教材總結(jié)。

滬教版九年級化學(xué)下冊，P42頁中的表述：“金屬單質(zhì)與酸溶液能否反應(yīng)，發(fā)生反應(yīng)的劇烈程度，可說明金屬的活動性的強(qiáng)弱”，從而總結(jié)出常見金屬的活動性順序。人教版九年級化學(xué)第八單元則是金屬是否與酸反應(yīng)，而沒有說反應(yīng)的劇烈程度說明金屬的活動性?？梢哉f，利用金屬與水反應(yīng)或與酸反應(yīng)的劇烈程度來判斷金屬的活動性是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模纾篊a和Na與水反應(yīng)就是特例。反應(yīng)速度是動力學(xué)角度，反應(yīng)可能性、反應(yīng)方向、趨勢則是熱力學(xué)角度。建議滬教版化學(xué)教材要做出相應(yīng)的調(diào)整。

2.金屬活動性順序表在初中化學(xué)中的應(yīng)用。

（1）判斷金屬能否與酸反應(yīng)。排在H前面的金屬，能與稀鹽酸或稀硫酸反應(yīng)置換出酸（非氧化性酸）中的氫。濃硫酸與硝酸與金屬發(fā)生的反應(yīng)則不屬于這類。

（2）除非?；顫姷慕饘伲↘、Ca、Na）外，排在前面的一般可以將位于其后面的金屬從它們的鹽溶液中置換出來。注意，有些金屬活動性強(qiáng)的金屬（K、Ca、Na、Mg）與易水解的金屬陽離子溶液的反應(yīng)不適用。例如：2H2O+Mg+CuCl2=Cu（OH）2+MgCl2+H2↑

（3）判斷原電池的正負(fù)極。兩種不同的金屬（K、Ca、Na除外）在電解質(zhì)溶液中構(gòu)成原電池時，活動性強(qiáng)的金屬為負(fù)極，活動性弱的金屬為正極。

3.判斷金屬活動性的一般方法

（1）根據(jù)能否與酸反應(yīng)，若金屬甲能與酸反應(yīng)放出氫氣，乙不能，則甲的金屬活動性大于乙。

（2）利用金屬甲與金屬乙的鹽溶液能否發(fā)生置換反應(yīng)。若金屬甲能將乙從它的鹽溶液中置換出來，則甲的金屬活動性大于乙。

（3）利用不同金屬與稀鹽酸或硫酸反應(yīng)時溫度的不同。溫度變化越大，金屬的活動性越強(qiáng)。

（4）利用原電池的正負(fù)極來比較。當(dāng)兩種金屬在電解性溶液中構(gòu)成原電池時，負(fù)極的金屬的活動性一般強(qiáng)于正極金屬的活動性。注意，Mg、Al、NaOH溶液構(gòu)成的原電池的正負(fù)極隨時間會改變。

4.特殊情況。

在非水溶液中，不適用運(yùn)用金屬活動性來判斷反應(yīng)的方向。例如工業(yè)上常用鎂在800℃時，在Ar做保護(hù)氣時，從TiCl4中置換出金屬Ti，并不能說鎂的活動性比鈦強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1]? 蔣良.關(guān)于金屬活動性順序的教學(xué)探究[J].化學(xué)教與學(xué)，2016（6）：2-6

[2]? 喬國才.金屬活動性順序的變遷研究[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2013（4）：48-51