“鈦”不容易

魏軍

摘要：鈦是一種新金屬，由于它具有一系列優異特性，被廣泛用于航空、航天等工業生產中，它被譽為“21世紀的金屬”。在一次初中化學課上，以鈦為主題的教學中，學生設計了幾組研究鈦的金屬活動性的實驗，通過實驗發現了理想與現實的差距，在解決問題中，他們學會了像化學家那樣研究問題。

關鍵詞：實驗探究;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文獻標識碼：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，俄羅斯化學家貝開托夫在研究了金屬與金屬離子間的置換反應和金屬單質與水和酸反應的劇烈程度的基礎上，得出一個相對完整的金屬活動順序表。隨著化學理論的發展，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，它是相對于標準氫電極的電極電勢，即標準電極電勢。標準電極電勢越小，該金屬的還原性越強。金屬活動性是反映一個金屬單質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。因此初中化學中，金屬能否與酸反應、一種金屬與其它金屬的鹽溶液能否發生置換反應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？在一次化學專題復習課中，老師提出一個問題，如何確定鎂、鈦、銅的金屬活動性？學生根據已有的經驗，老師提供的藥品，查閱的鈦在金屬活動順序表中的位置，設計如下三種方案：①Mg、Ti、Cu、硫酸溶液;②Mg、TiCl3溶液、Cu;③MgSO4溶液、Ti、CuSO4溶液。在接下來的實驗過程中，真的能如同學們想得那樣嗎？

二、探究中驗證

同學們根據方案①，設計了如下表1和圖1中的實驗。

首先針對方案①，學生們去查閱資料發現，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。只有氫氟酸、濃鹽酸、濃硫酸才能反應。于是，考慮到鹽酸的揮發性，最終同學們用40%的硫酸溶液（相同體積）與大小形態相同的Mg、Ti、Cu片反應，順利完成了實驗。當然，根據鎂與鈦與硫酸反應的劇烈程度得出它們的活動性并不很科學。

方案②，同學們設計了如表2和圖2的實驗。

實驗1中產生氣體，同學們猜想，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，說明產生的氣體是氫氣。同學們思考后得出溶液呈酸性。進一步查閱資料：TiCl3+3H2O=Ti（OH）3+3HCl，由于鹽類的水解反應，導致某些鹽呈酸性。黑色固體的成分是什么？學生猜想可能是鈦或鎂顆粒或是兩者的混合物，查閱資料可知，鈦與7%以下的鹽酸不反應，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的還原性，在此實驗條件下，易被氧化成TiO2+離子，可以在pH<1的條件下，加入H2O2溶液，溶液呈現橙色。

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

于是某同學聯想到滬教版下冊化學第九章Cu-Zn原電池，可以證明鋅的活動性比銅強，設計了如下圖3所示的實驗裝置，實驗后發現Ti極上有紅色的物質析出，電流表向右偏轉。老師很快就否定了他們的答案，因為負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，這個實驗只能說明鎂的金屬活動性大于銅。有同學將鎂條換成了銅棒，并沒有發現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定，決定了它在做電極材料時，很難失去電子。

接著，同學們開始方案③的驗證實驗，如圖4，表3所示。

同學們根據實驗方案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也不能來驗證這三種金屬的活動性。

三、理論追蹤

鎂、鈦、銅的標準電極電勢如下表4。

標準電極電勢是可逆電極在標準狀態及平衡態時的電勢，也是標準態時的電極電勢。指的是當溫度為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。標準電極電勢有很強的實用價值，可用來判斷氧化劑與還原劑的相對強弱，判斷氧化還原反應的進行方向，計算原電池的電動勢、反應自由能、平衡常數，計算其它半反應的標準電極電勢等。在表4中，鎂、鈦、銅的還原態的還原能力逐漸減弱。

四、總結反思

1.根據教材總結。

滬教版九年級化學下冊，P42頁中的表述：“金屬單質與酸溶液能否反應，發生反應的劇烈程度，可說明金屬的活動性的強弱”，從而總結出常見金屬的活動性順序。人教版九年級化學第八單元則是金屬是否與酸反應，而沒有說反應的劇烈程度說明金屬的活動性。可以說，利用金屬與水反應或與酸反應的劇烈程度來判斷金屬的活動性是不嚴謹的，例如：Ca和Na與水反應就是特例。反應速度是動力學角度，反應可能性、反應方向、趨勢則是熱力學角度。建議滬教版化學教材要做出相應的調整。

2.金屬活動性順序表在初中化學中的應用。

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

（2）除非常活潑的金屬（K、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，有些金屬活動性強的金屬（K、Ca、Na、Mg）與易水解的金屬陽離子溶液的反應不適用。例如：2H2O+Mg+CuCl2=Cu（OH）2+MgCl2+H2↑

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

3.判斷金屬活動性的一般方法

（1）根據能否與酸反應，若金屬甲能與酸反應放出氫氣，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生置換反應。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時溫度的不同。溫度變化越大，金屬的活動性越強。

（4）利用原電池的正負極來比較。當兩種金屬在電解性溶液中構成原電池時，負極的金屬的活動性一般強于正極金屬的活動性。注意，Mg、Al、NaOH溶液構成的原電池的正負極隨時間會改變。

4.特殊情況。

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

參考文獻

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

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