比較金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱的新方法

李德前 郭 燾

江蘇省徐州市西苑中學(xué)(221002) 江蘇省徐州市擷秀初級(jí)中學(xué)(221006)

在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中,對(duì)金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱的判斷依據(jù)存在一定誤區(qū)。我們借助常規(guī)實(shí)驗(yàn)用品設(shè)計(jì)出比較金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱的科學(xué)方法,取得了顯著的實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效。

1 問(wèn)題的提出

中學(xué)化學(xué)教學(xué)界有學(xué)者認(rèn)為:金屬單質(zhì)與酸溶液發(fā)生反應(yīng)的劇烈程度可以說(shuō)明金屬的活動(dòng)性強(qiáng)弱[1],即反應(yīng)速率越快則金屬的活動(dòng)性就越強(qiáng),反應(yīng)速率越慢則金屬的活動(dòng)性就越弱。不僅如此,上述觀點(diǎn)還反映在一些中考試題中,如:

中考題1(2020·四川樂(lè)山):同學(xué)們參加實(shí)驗(yàn)基本操作考查,在驗(yàn)證鎂、鋅、銅3種金屬的活動(dòng)性順序時(shí)設(shè)計(jì)了以下4種方案,其中能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡氖? )

A．將鎂片、鋅片分別放入硝酸銅溶液中

B．將鋅片、銅片分別放入硝酸鎂溶液中

C．將鎂片分別放入硝酸鋅溶液、硝酸銅溶液中

D．將鎂片、鋅片、銅片分別放入稀鹽酸中

參考答案:D。

中考題2(2020·山東青島):化學(xué)興趣小組為驗(yàn)證鎂、鐵、銅、銀4種金屬的活動(dòng)性順序,他們?cè)O(shè)計(jì)了圖1所示的4個(gè)實(shí)驗(yàn)(幾種金屬片均已打磨,其形狀大小相同,且實(shí)驗(yàn)①②③所用鹽酸的濃度和體積均相同)。

圖1 中考題中驗(yàn)證鎂、鐵、銅、銀金屬活動(dòng)性順序的實(shí)驗(yàn)裝置

下列分析錯(cuò)誤的是( )

A．對(duì)比實(shí)驗(yàn)①②中反應(yīng)的劇烈程度,能判斷出鎂和鐵的金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱

B．分析實(shí)驗(yàn)②④的現(xiàn)象,能判斷出鐵、銅、銀的金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱

C．分析實(shí)驗(yàn)④的現(xiàn)象,能判斷出銅和銀的金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱

D．分析4個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,能判斷出鎂、鐵、銅、銀的金屬活動(dòng)性順序

參考答案:B。

其實(shí),金屬單質(zhì)與酸溶液(鹽酸、稀硫酸)發(fā)生置換反應(yīng)(生成氫氣)的速率,與金屬的活動(dòng)性不存在必然聯(lián)系。因?yàn)榻饘倩顒?dòng)性強(qiáng)弱是根據(jù)金屬在水溶液中形成水合陽(yáng)離子的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)大小來(lái)定量衡量的[2],它僅僅從熱力學(xué)角度指出了金屬在水溶液里失去電子的難易,而反應(yīng)速率是從動(dòng)力學(xué)角度表明反應(yīng)的快慢。

2 實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

在初中化學(xué)教學(xué)中,如何簡(jiǎn)便而直觀地比較不同金屬的活動(dòng)性強(qiáng)弱呢?查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),根據(jù)“金屬與酸溶液反應(yīng)前后溶液溫度的變化”作為金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱的判斷依據(jù)是可取的[3-4],蘇州的徐敏、鄭麗娟老師就此設(shè)計(jì)出圖2所示的裝置探究幾種金屬的活動(dòng)性順序[5],兩位老師的實(shí)驗(yàn)方案表現(xiàn)出很好的創(chuàng)造性。但是,由于涉及的反應(yīng)體系是完全封閉的玻璃容器,且沒(méi)有壓強(qiáng)緩沖設(shè)置,這樣實(shí)驗(yàn)過(guò)程中極可能發(fā)生沖塞事故;另外,不少學(xué)校也沒(méi)有配備溫度傳感器。

圖2 文獻(xiàn)中探究鎂、鋁、鋅、鐵、銅5種金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱的實(shí)驗(yàn)裝置

鑒于此,我們利用實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的“替換思維”對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)一步優(yōu)化,采用常規(guī)的實(shí)驗(yàn)用品設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

15 mm×150 mm有孔試管(含配套的單孔橡皮塞),150 mL廣口瓶(含配套的雙孔橡皮塞),煤油溫度計(jì),長(zhǎng)頸漏斗,鑷子,砂紙等;鎂、鋁、鋅、鐵4種金屬片(長(zhǎng)度均為10 cm、寬度均為4 mm,均除去了氧化膜),2 mol/L 稀鹽酸,自來(lái)水等。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 新設(shè)計(jì)的探究鎂、鋁、鋅、鐵4種金屬活動(dòng)性順序的實(shí)驗(yàn)裝置

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)準(zhǔn)備1支15 mm×150 mm的有孔試管,取1個(gè)與之配套的單孔橡皮塞(孔徑要與溫度計(jì)的外徑相匹配);準(zhǔn)備1個(gè)150 mL的廣口瓶,取1個(gè)與之配套的雙孔橡皮塞(兩個(gè)孔的孔徑要分別與小試管的直徑、長(zhǎng)頸漏斗的管徑相匹配)。

(2)按圖3所示,連好整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置;然后向長(zhǎng)頸漏斗里注入適量的自來(lái)水,如果長(zhǎng)頸漏斗中的水很難流下去(或水面不下降),就說(shuō)明裝置不漏氣。

(3)拔掉試管口上的單孔橡皮塞,先向試管中注入10 mL 2 mol/L的稀鹽酸,再將長(zhǎng)約10 cm、寬約4 mm的鎂片(約0.27 g)彎曲成U型投入稀鹽酸中,立即塞緊橡皮塞,注意讀取反應(yīng)前的起始溫度和反應(yīng)后的最高溫度。反應(yīng)過(guò)程中,可以觀察到溶液中劇烈冒氣泡,最終金屬鎂有剩余。

(4)再將外形相同、大小相同的鋁片(約0.61 g)、鋅片(約1.01 g)、鐵片(約1.85 g)彎曲成U型,分別投入10 mL 2 mol/L的稀鹽酸中,注意讀取反應(yīng)前的起始溫度及反應(yīng)后的最高溫度(即重復(fù)前述操作)。反應(yīng)過(guò)程中容易觀察到,金屬鋁表面快速冒氣泡、金屬鋅表面較快冒氣泡、金屬鐵表面緩慢冒氣泡,最終金屬鋁、鋅、鐵均有剩余。

(5)上述實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 鎂片、鋁片、鋅片、鐵片分別與稀鹽酸反應(yīng)的溫度變化情況

分析表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,等質(zhì)量且均過(guò)量的不同金屬分別與等體積等濃度的稀鹽酸反應(yīng)時(shí),金屬鎂與稀鹽酸反應(yīng)的溫度變化最大,金屬鐵與稀鹽酸反應(yīng)的溫度變化最小,金屬鋅與稀鹽酸反應(yīng)的溫度變化大于鐵、小于鋁,所以鎂、鋁、鋅、鐵4種金屬與鹽酸反應(yīng)放出的熱量逐次減少。據(jù)此,可以確定這4種金屬的活動(dòng)性由強(qiáng)到弱的順序是鎂、鋁、鋅、鐵。

2.4 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)科學(xué)簡(jiǎn)約、通俗易懂,有助于學(xué)生明晰金屬活動(dòng)性順序的內(nèi)涵。

(2)把小試管作為反應(yīng)室,反應(yīng)產(chǎn)生的熱量集中,測(cè)出的溫度數(shù)值接近真實(shí)值,因而實(shí)驗(yàn)的誤差小。

(3)廣口瓶、長(zhǎng)頸漏斗和水組成了實(shí)驗(yàn)體系內(nèi)的壓強(qiáng)緩沖裝置,即便是金屬鎂、鋁與鹽酸劇烈反應(yīng)也不會(huì)發(fā)生沖塞現(xiàn)象,確保了實(shí)驗(yàn)安全和裝置穩(wěn)定。

(4)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比較直觀,而且融入定量思維,有利于培養(yǎng)學(xué)生分析數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的能力,發(fā)展學(xué)生的理性思維和證據(jù)推理意識(shí)。

(5)使用常規(guī)儀器,實(shí)驗(yàn)的成本低,但實(shí)驗(yàn)效果明顯,因此該實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新方案具有一定的推廣價(jià)值,尤其是對(duì)辦學(xué)條件相對(duì)薄弱的學(xué)校而言,不失為優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

3 結(jié)語(yǔ)

利用上述實(shí)驗(yàn)裝置探究常見(jiàn)金屬的活動(dòng)性順序,學(xué)生可以非常直觀地感知實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論,從而使復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化、抽象的問(wèn)題形象化、模糊的問(wèn)題明確化,有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度,發(fā)展教師的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng),提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。