關于金屬活動性順序的教學探討

蔣良

摘要：基于中學在金屬活動性順序教學中存在的有關問題，梳理了金屬活動性順序的含義、適用條件，及根據金屬活動順序可以作出的常見判斷和比較金屬活動性強弱的常用方法，討論了金屬活動性順序的教育價值。

關鍵詞：金屬活動性順序；適用條件；判斷；比較；教育價值

文章編號：1008-0546（2016）06-0002-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.06.001

一、問題的提出

在中學化學教學，特別是初中化學教學中，許多老師認為可以根據（常溫下）金屬單質與酸溶液（鹽酸、稀硫酸等非氧化性酸）發生置換反應（生成氫氣）的劇烈程度即反應速率的大小，來比較或判斷金屬的活動性強弱，即金屬單質與酸溶液發生置換生成氫氣的反應越劇烈，則該金屬的活動性就越強，反之亦然。在一些公開出版的教輔用書及試題中也經常能見到這樣的觀點與題目。

請看下列兩題所給的答案[1]：

題1.下列事實不能用金屬活動性順序解釋的是

A.銅的導電性強于鐵

B.鋅和鎂與稀鹽酸反應的劇烈程度不同

C.金屬銀與稀硫酸不反應

D.鋁能將硫酸銅溶液中的銅置換出來

題2.為比較三種金屬Mg、Zn、Cu的活動性順序，下列選用的試劑不能達到目的的是

A.Mg條、Cu片、ZnSO4溶液

B.Mg條、Zn粒、Cu片、稀鹽酸

C.Zn粒、Cu片、MgSO4溶液

D.Zn粒、MgCl2溶液、CuCl2溶液

題1給的答案為A。按此答案可給出本題的解答思路主要是：根據在金屬活動性順序里鎂位于鋅的前面，可知鎂比鋅的活動性強，所以鎂、鋅分別與稀鹽酸發生置換反應時，鎂的劇烈程度要大于鋅，即選項B能用金屬活動性順序解釋；同理，選項C、D也都能用金屬活動性順序予以解釋。但金屬的導電性與金屬的活動性強弱無關，所以選項A不能用金屬活動性順序解釋。

題2給的答案為C。根據此答案可知本題的解答思路主要是：比較三種金屬的活動性順序可以有兩種方案，一是通過金屬單質分別與鹽酸或稀硫酸能否發生置換生成氫氣以及反應的劇烈程度來進行，所以選項B能達到目的。二是通過金屬單質與有關鹽溶液能否發生置換反應來進行判斷，在本題又有兩種途徑：①用Mg條、Cu片分別與ZnSO4溶液混合，看是否發生置換反應，選項A能達到目的；②用Zn粒分別與MgCl2溶液、CuCl2溶液混合，看是否發生置換反應，選項D能達到目的。而MgSO4溶液與Zn粒、Cu片均不能反應，則選項C不能達到目的。

但筆者認為，題1的答案應為AB，題2的答案應為BC。為什么呢？這是由金屬活動性順序的本質決定的。宋心琦先生指出[2]：把金屬的活動性和（金屬單質與鹽酸或稀硫酸發生的）置換反應發生時的劇烈程度相關聯，甚至認為二者存在必然的相關性，這種關聯在基本概念上是不存在的，即反應劇烈程度和金屬的活動性沒有內在的相關性。

在教學中，除把金屬活動性強弱和置換反應的速率大小相關聯外，還有其他一些問題，如不明確其適用條件，將其應用范圍擴大化，不注意其教育價值等。

二、金屬活動性順序的含義和適用條件

1. 金屬活動性順序的含義

金屬的活動性是金屬單質的屬性，是指金屬單質在常溫下的水溶液里失去電子形成水合離子傾向的大小。它以25℃時金屬的標準電極電勢（φ？夼）為判斷依據。金屬的標準電極電勢越?。ㄔ截摚?，其單質在常溫的水溶液里失去電子的傾向越強；金屬的標準電極電勢越大（越正），其單質在常溫的水溶液里失去電子的傾向越弱。[3]

金屬活動性順序就是按照金屬的標準電極電勢由小到大的順序排列的，即金屬活動性順序表是金屬的標準電極電勢表的簡化。所以，金屬活動性順序反映了在常溫的水溶液里不同金屬及其對應離子的氧化還原能力的相對強弱。在這個順序里，金屬的位置越靠前，在常溫的水溶液里，其單質越容易被氧化即活動性越強，其對應的離子越難被還原；反之亦然。[4]

2. 金屬活動性順序的適用條件[5]

（1）標準電極電勢是熱力學數據，屬于化學熱力學范疇，而反應速率屬于化學動力學范疇。所以，根據金屬活動性順序對有關置換反應的判斷是一種熱力學判斷，只能指出反應能否發生及完成的程度如何，與反應速率無關，不能說明反應的劇烈程度即速率。如，鈉、鈣的標準電極電勢分別為φ？夼（Na+/Na）=-2.71 V、φ？夼（Ca2+/Ca）=-2.86 V，則在金屬活動性順序里鈣排在鈉的前面，鈣的活動性比鈉的強，但是在與水反應時鈉比鈣劇烈，這種“劇烈”是動力學性質，不是熱力學性質，與金屬活動性強弱是無關的。

那么，金屬的標準電極電勢是由哪些能量因素決定的呢？事實證明，要綜合考慮固態中的金屬原子變成單個氣態原子的升華熱、氣態金屬原子失去電子成為離子的電離能、金屬離子溶于水并發生水化的水化熱等因素。如，鈉和鈣的水化熱分別為-397 kJ·mol-1、-1653 kJ·mol-1，差距較大的水化熱是鈣的標準電極電勢比鈉的低的主要原因。

因此，應當嚴格區別決定金屬活動性順序的內因（標準電極電勢）和影響反應速率大小的外因（固態反應物的表面狀態與顆粒大小，少量外來或內含的雜質的種類及分布，產物形態等）[2]?；瘜W熱力學只討論反應的可能性、趨勢和程度，不討論反應的速率，反應的趨勢和反應的速率不是一回事，反應的趨勢大（即平衡常數大）并不表明反應就一定快。這也是本文開頭題1、題2所給的答案出現問題的原因。

（2） 標準電極電勢是在25℃的水溶液中測定的，因而金屬活動性順序只適用于常溫下的水溶液里的反應，而對于高溫下的反應、非水溶劑（如液氨）的反應和固相反應等均不適用。如，高溫下的反應：Na+KClK+NaCl，就不是由金屬活動性順序決定的。

（3）標準電極電勢的測定是在25℃和標準狀態下進行的，所謂標準狀態是指組成電極的離子的濃度為1 mol·L-1、氣體的分壓為100 kPa、金屬是純凈的（嚴格地說“濃度”和“壓力”應為“活度”和“逸度”）。[3]所以，在使用金屬活動性順序解決有關問題時，必須注意這些條件，否則可能會得出錯誤的結論。

如，在25℃和標準狀態下，反應Sn+Pb2+Sn2++Pb可以自發地向右進行，但若c（Pb2+）=0.1 mol·L-1、c（Sn2+）=1 mol·L-1，經計算證明上述反應不能自發地向右進行，而其逆反應卻可以自發地進行。[3]這個事實說明離子濃度的變化可能會造成反應方向的改變。

再如，在25℃和標準狀態下，H2能將Cu2+從溶液中置換出來得到金屬銅。但是，在濃鹽酸中與加熱的條件下，銅卻能置換出濃鹽酸中的H+生成氫氣：2Cu+4HCl（濃）2H[CuCl2]+H2↑，反應之所以能發生，除溫度、鹽酸濃度的變化外，還和Cu+與Cl-形成配離子[CuCl2]-使c（Cu+）減小有關，由于c（Cu+）的減小，使銅的電極電勢變負，活動性增強。[6]

還有，金屬的活動性是指純金屬的性質。有的金屬在空氣中暴露后表面會生成一層致密的氧化膜，氧化膜能起鈍化作用，金屬的活動性就會減弱。如鋁、鉻等。純鉻比純鐵的活動性強，但在空氣中鉻的表面有氧化膜，就使得鉻的實際活動性遠小于鐵。[6]

（4）金屬單質是（在常溫的水溶液里）形成穩定的（水合）低價離子。如鐵可以形成Fe2+、Fe3+，是指的Fe2+；汞可以形成Hg2+、Hg22+，是指的Hg22+[這可由φ？夼（Hg22+/Hg）=0.797 V、φ？夼（Hg2+/Hg）=0.851 V、φ？夼（Ag+/Ag）=0.799 V，則φ？夼（Hg22+/Hg）<φ？夼（Ag+/Ag）<φ？夼（Hg2+/Hg），在金屬活動順序中汞位于銀的前面來確定]。[7]

這里還要注意，是形成的水合金屬離子，而不是金屬離子與其他非水粒子所形成的配離子或難溶物，否則金屬的活動性可能會發生變化。如，在氰化鉀溶液中Ag+易與CN-生成穩定的配離子[Ag（CN）2]-，由于該配離子的生成，使c（Ag+）顯著減小，結果使這時銀的標準電極電勢大大地下降：φ？夼（[Ag（CN）2]-/Ag）=-0.31 V，銀的活動性就顯著地增強。再如，在堿性溶液中，Cu（OH）2+2e-Cu+2OH-的標準電極電勢為-0.224 V，比φ？夼（Cu2+/Cu）=0.34 V小，則是因生成難溶的Cu（OH）2，使c（Cu2+）減小的緣故。[6]同樣地，AgI+e-Ag+I-的標準電極電勢為-0.152 V，這時銀的活動性增強了，也是由于生成難溶物AgI，使c（Ag+）減小而造成的。

一般地，若反應時金屬單質生成的金屬離子轉化為其他配離子或難溶物，使水合金屬離子的濃度減小時，其標準電極電勢將變小，金屬的活動性將增強。[6]

另外，φ？夼（Fe2+/Fe）=-0.44 V、φ？夼（Fe3+/Fe）=-0.036 V，即后者較接近于0，這說明鐵與非氧化性酸溶液中的H+反應生成Fe3+和H2在熱力學上的可能性是較小的，從這一角度可以解釋為什么鐵與鹽酸或稀硫酸等反應是得到Fe2+而不是Fe3+。

通過以上內容可知，金屬活動性順序和所有科學知識一樣，它是有條件的、辯證的，不是絕對的、機械的，適用范圍是有限的。在運用其解決有關問題時，不能生搬硬套，要根據具體條件、具體內容，進行具體分析，才能得出正確的結論。[6]

三、根據金屬活動性順序可以作出的常見判斷

1. 根據金屬活動性順序可以作出的常見判斷

根據金屬活動性順序的含義及適用條件，在中學化學里，使用金屬活動性順序可以作出的常見判斷主要有：

（1）判斷有關金屬在水溶液中的活動性強弱。金屬的位置越靠前，其單質的活動性或還原性越強，其對應離子的氧化性越弱；反之亦然。

（2）判斷有關金屬在水溶液中能否發生某些置換反應。①位于氫前面的金屬能置換出鹽酸、稀硫酸等非氧化性酸中的氫，位于氫后面的金屬不能置換出鹽酸、稀硫酸等非氧化性酸中的氫。②除鉀、鈣、鈉等外，位于前面的金屬能把位于后面的金屬從它們的鹽溶液中置換出來。

鉀、鈣、鈉等的單質與其他金屬的鹽溶液（如硫酸銅溶液）反應時，沒有相應的金屬被置換出來的原因是：鈉等與水反應的速率遠大于鈉等與金屬離子反應的速率，且水又是大量的，所以鈉等是首先與水劇烈反應生成NaOH和H2，生成的OH-又立即與相應的金屬離子反應生成氫氧化物沉淀（注意，這時OH-與金屬離子反應的速率又遠大于H2與金屬離子反應的速率），所以沒有相應的金屬析出。

（3）判斷原電池的正、負極。當兩種不同的金屬（除鉀、鈣、鈉等外）和有關電解質溶液構成原電池時，一般是活動性較強的金屬為原電池的負極，活動性較弱的金屬為原電池的正極。

注意，對于鎂、鋁和NaOH溶液構成的原電池，兩金屬剛插入時和一段時間后的正負極是不同的。[8]兩金屬剛插入NaOH溶液中時，負極是鎂，正極是鋁，此時發生的是鎂的吸氧腐蝕，電極反應為：

負極（鎂）：2Mg-4e-+4OH-2Mg（OH）2

正極（鋁）：O2+4e-+2H2O4OH-

總反應：2Mg+O2+2H2O2Mg（OH）2

一段時間后，反應平穩時，負極是鋁，正極是鎂（溶液中的水在此電極上得到電子），電極反應為：

負極（鋁）：2Al-6e-+8OH-2AlO2-+4H2O

正極（鎂）：6H2O+6e-6OH-+3H2↑

總反應：2Al+ 2NaOH+2H2O2NaAlO2+3H2↑

2. 比較金屬活動性強弱的常用方法

根據金屬活動性順序的含義，在中學化學里，比較不同金屬活動性強弱的常用方法有：

（1）根據金屬能否在水溶液中發生有關的置換反應進行比較。①除鉀、鈣、鈉等外，若一種金屬（甲）能把另一種金屬（乙）從它的鹽溶液中置換出來，則甲的活動性比乙的強；否則，甲的活動性比乙的弱。②若金屬甲能與水或鹽酸、稀硫酸發生置換反應生成氫氣，而金屬乙不能與水或鹽酸、稀硫酸發生置換反應生成氫氣，則甲的活動性比乙的強。

（2）根據不同金屬與鹽酸或稀硫酸發生置換反應前后溶液的溫度變化進行比較。[9]不同的金屬分別與鹽酸或稀硫酸等非氧化性酸發生置換反應時，反應所放出的熱量是不同的，進而會造成溶液的溫度變化不同，據此能夠比較不同金屬的活動性強弱。

當不同的金屬（等質量且均過量）分別與相同體積的同一酸溶液充分反應時，溶液的溫度變化越大，金屬的活動性就越強；溶液的溫度變化越小，金屬的活動性就越弱。如，在氣溫11℃時，用鎂條、鋅粒、鐵屑、銅絲各1 g，分別與5 mL 2 mol/L鹽酸在試管中反應，所測得的相關溫度數據見表1。

（3）根據原電池的正、負極進行比較。當兩種不同的金屬（除鉀、鈣、鈉等外）和有關電解質溶液構成原電池時，作負極的金屬的活動性一般比作正極的金屬的活動性要強。同樣地，需要注意鎂、鋁和NaOH溶液等構成的這類原電池，在兩金屬剛插入時和一段時間后的正負極的改變。

四、金屬活動性順序的教育價值

1.利用金屬活動性順序表的誕生和發展的史實[10]，進行科學的發展性特征的教育

1812年瑞典化學家貝齊里烏斯根據實驗現象最先提出了金屬活動順序。后來，俄國化學家貝開托夫在進行大量實驗和系統研究后，于1865年給出了較為完整的金屬置換順序：

K Na Ca Mg Al Zn Fe Sn

Pb H Cu Hg Ag Au

這個順序被長期使用。在19世紀70年代出現了金屬活動性順序表的概念：

K Na Ca Mg Al Mn Zn Fe Ni Sn

Pb H Cu Hg Ag Pt Au

顯然，這個順序是按實際反應的劇烈程度即速率大小排列的定性、經驗規律。

隨著認識的深入，科學家發現標準電極電勢是衡量金屬單質在水溶液中活動性強弱的更本質的定量尺度。據此有現行的金屬活動順序：

K Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn

Pb H Cu Hg Ag Pt Au

科學知識是人類對客觀世界本質屬性的認識，而人類的認識是一個不斷深入、發展的過程（由感性到理性，由現象到本質，由宏觀到微觀，不斷探索更新完善，不斷接近真理）。隨著科學知識的積累、研究手段的多樣，人類對相關本質的認識會不斷逼近，這必然決定了科學知識及科學具有發展性的特征。[11]金屬活動性順序表的誕生和發展的歷史，可使學生認識到科學知識發展的漸進性，受到科學的發展性特征的教育。

其實，這方面的事實在化學及各門科學中俯拾皆是。如化合價、酸、堿等概念，在不同的時代人們給出了不同的界定[11]。而被稱為化學史上兩大里程碑之一的門捷列夫的元素周期律的發現和發展，在反映科學的發展性特征上更是表現的淋漓盡致（另一里程碑是道爾頓提出的原子論）。門捷列夫在前人工作的基礎上，進行了長期艱辛的探索，終于在1869年發現了元素周期律（元素的性質隨著相對原子質量的增加而周期性地改變），同時他把當時已知的63種元素按這一規律進行排列，公布了他的第一張元素周期表。由于時代的局限，門捷列夫未能認識到元素性質周期性變化的本質所在。到了20世紀初，隨著科學技術的發展，人們對原子結構有了更深入的認識（電子、物質放射性的發現和原子結構模型的建立等），這時才真正認識到元素性質周期性變化的本質。1913年年僅25歲的英國物理學家莫斯萊通過研究指出，周期表中的原子序數就是原子的核電荷數，由此揭示了核電荷數才是周期表中元素排列的內在依據。這樣，人們對元素周期律的認識深化了，認識到元素周期性變化的本質不是元素的相對原子質量，而是原子的核電荷數，元素性質的周期性決定于原子電子層結構的周期性。[12]

門捷列夫提出的元素周期律有局限性，并不完全正確，其歷史原因是在當時人們對原子的內部結構還不了解。隨著科學的發展，科學家將這一偉大的自然規律放到更嚴密更科學的原子結構的基礎上，進而認識到元素周期律的本質。[13]

還有，門捷列夫時期的元素周期表是沒有0族的（當時稀有氣體尚未發現），由第Ⅶ主族的強非金屬到第Ⅰ主族的強金屬間的突變，對于元素周期表的結構及主族間元素性質的遞變顯示的是那么的生硬突兀。后來，稀有氣體被發現，加上了0族元素作為兩族間的過渡之后，元素周期表的結構及元素性質的遞變則是顯得那么的自然和諧完美。[14]

再如，關于稀有氣體這一名稱的問題。過去，人們認為這些氣體不能與其他物質發生化學反應（是完全惰性的），曾長期把它們叫做惰性氣體。但是，自從1962年英國化學家巴特勒合成出第一個稀有氣體化合物（Xe+1[PtF6]-1）之后，至今合成得到的稀有氣體化合物已有很多，并形成了一個名為稀有氣體化學的分支學科。正是由于這些化合物的獲得，使人們對惰性氣體的“惰性”有了新的認識，進而迫使科學界把惰性氣體改名為稀有氣體。[14]

總之，科學探索是無止境的。各門科學中都有許多問題人類還沒有能完全解決或被人類所了解。人類已經獲得的科學知識僅僅是從某個角度、某個層次，利用現有的資源所能達到的對客觀世界的認識（且其正確性還要不斷地檢驗和完善）。所以，發展性是各門科學的共同特征之一。這個特征也許就是科學能不斷發展的動力之一及科學迷人的原因之一吧。[11]

根據學生化學基礎的實際，用他們能夠接受的內容與形式對他們進行相關化學知識的發展性特征的教育，對促進他們科學素養和人文素養的發展具有良好的智力價值與非智力價值。通過這些內容的教學，既可以增強學習興趣，更全面深刻地認識化學知識、化學研究的過程和方法；又可以感受到科學家嚴謹的科學態度，勇于探索、追求真理、不畏權威、大膽質疑甚至不惜生命等優秀的思想品德和豐富美好的精神世界；還可以體會到任何真理都是相對的，科學的發展永遠不會停滯，把相對真理當成永遠不變的教條是違反客觀世界的本來面目和人類認識的基本規律的，宋心琦先生說[14]：“對所有的理論或實驗結論，都應當承認存在不確定性，發現它們并通過持續不斷地探究活動，使不確定性不斷降低，正是一切科學工作的靈魂”，同時，對待一位科學家或科學事件的評價，要放在當時的特定條件下去進行歷史的分析，既肯定其功績，又看到不足，不以偏概全，理解其歷史階段性、局限性，從而發展學生正確的世界觀和方法論。

2.利用金屬活動性順序整合金屬冶煉的知識，進行STS教育

人類使用不同金屬及金屬材料的先后與金屬冶煉的難易有關。使化合態的金屬轉變為金屬單質的惟一方式是化學反應，金屬活動性是選擇金屬冶煉的反應原理和方法的主要依據。在金屬活動性順序中，金屬的位置越靠后，用一般的還原方法就能使其化合態還原；金屬的位置越靠前，其化合態越難被還原，活潑的金屬只能用最強的還原手段使其化合態還原。由此可知，金屬活動性是冶金工業的主要科學基礎。

在教學中，學生對金屬冶煉的知識是分散學習的。如，在水溶液中實現的金屬置換法（濕法冶金工藝之一），在高溫下用焦炭還原金屬氧化物的方法（火法冶金工藝之一。還可用氫氣、一氧化碳、鋁等作還原劑），在熔融狀態或水溶液中通過電解制備金屬的方法（電冶金工藝）。如果用金屬活動性順序把這些零散的知識進行整合，不僅可以將這些看似毫無關系的內容建立起聯系、結構化，而且還能夠深化對STS關系的認識。上述3種方法和金屬活動性順序大致對應，3種方法的還原能力依次增強（后者可以代替前者）。最強的還原手段——電解法是一種普遍適用的方法，其氧化還原能力來自與物質無關的外加電勢，但這不是“天賜”，而是人類智慧和創造力的產物（體現了科學技術對社會進步的促進作用）。那么，為什么電解法并不是冶金工藝的唯一方案呢？這是因為科學主要解決的是“可能”的問題，而技術（工藝）不僅要考慮可能，還要考慮“可行”的問題（包括資源、能源、環保、產品質量標準、成本和市場等），有時后者起決定性的作用。再者，當遇到某種在金屬活動順序表中沒有列入的金屬時，由其工業冶煉方法可以猜測它在表中的大致位置。[2]

這樣，讓學生在三維內容融為一體的金屬冶煉的生產實際中去學習，既可深化對有關知識等的理解，促進綜合學力的建構與思維品質的煅鑄，又可進一步認識化學、技術與社會之間的相互關系。

金屬活動性順序猶如一根線將看似毫不相關的各種金屬聯接到了一起，揭示了金屬、酸和鹽等物質之間變化的關系、內在規律及社會價值，給學生體會客觀世界在本質上是有秩序的、有規律的（且這些秩序、規律是可認識的、有價值的和可利用的）提供了一個新的視角。

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