比較金屬活動性強弱的新方法

李德前 郭 燾

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

在中學化學教學中,對金屬活動性強弱的判斷依據存在一定誤區。我們借助常規實驗用品設計出比較金屬活動性強弱的科學方法,取得了顯著的實驗教學成效。

1 問題的提出

中學化學教學界有學者認為:金屬單質與酸溶液發生反應的劇烈程度可以說明金屬的活動性強弱[1],即反應速率越快則金屬的活動性就越強,反應速率越慢則金屬的活動性就越弱。不僅如此,上述觀點還反映在一些中考試題中,如:

中考題1(2020·四川樂山):同學們參加實驗基本操作考查,在驗證鎂、鋅、銅3種金屬的活動性順序時設計了以下4種方案,其中能達到實驗目的的是( )

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):化學興趣小組為驗證鎂、鐵、銅、銀4種金屬的活動性順序,他們設計了圖1所示的4個實驗(幾種金屬片均已打磨,其形狀大小相同,且實驗①②③所用鹽酸的濃度和體積均相同)。

圖1 中考題中驗證鎂、鐵、銅、銀金屬活動性順序的實驗裝置

下列分析錯誤的是( )

A．對比實驗①②中反應的劇烈程度,能判斷出鎂和鐵的金屬活動性強弱

B．分析實驗②④的現象,能判斷出鐵、銅、銀的金屬活動性強弱

C．分析實驗④的現象,能判斷出銅和銀的金屬活動性強弱

D．分析4個實驗現象,能判斷出鎂、鐵、銅、銀的金屬活動性順序

參考答案:B。

其實,金屬單質與酸溶液(鹽酸、稀硫酸)發生置換反應(生成氫氣)的速率,與金屬的活動性不存在必然聯系。因為金屬活動性強弱是根據金屬在水溶液中形成水合陽離子的標準電極電勢大小來定量衡量的[2],它僅僅從熱力學角度指出了金屬在水溶液里失去電子的難易,而反應速率是從動力學角度表明反應的快慢。

2 實驗的設計

在初中化學教學中,如何簡便而直觀地比較不同金屬的活動性強弱呢?查閱文獻發現,根據“金屬與酸溶液反應前后溶液溫度的變化”作為金屬活動性強弱的判斷依據是可取的[3-4],蘇州的徐敏、鄭麗娟老師就此設計出圖2所示的裝置探究幾種金屬的活動性順序[5],兩位老師的實驗方案表現出很好的創造性。但是,由于涉及的反應體系是完全封閉的玻璃容器,且沒有壓強緩沖設置,這樣實驗過程中極可能發生沖塞事故;另外,不少學校也沒有配備溫度傳感器。

圖2 文獻中探究鎂、鋁、鋅、鐵、銅5種金屬活動性強弱的實驗裝置

鑒于此,我們利用實驗創新的“替換思維”對實驗裝置進一步優化,采用常規的實驗用品設計并進行實驗。

2.1 實驗用品

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,長頸漏斗,鑷子,砂紙等;鎂、鋁、鋅、鐵4種金屬片(長度均為10 cm、寬度均為4 mm,均除去了氧化膜),2 mol/L 稀鹽酸,自來水等。

2.2 實驗裝置

新設計的實驗裝置如圖3所示。

圖3 新設計的探究鎂、鋁、鋅、鐵4種金屬活動性順序的實驗裝置

2.3 實驗過程

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

(2)按圖3所示,連好整個實驗裝置;然后向長頸漏斗里注入適量的自來水,如果長頸漏斗中的水很難流下去(或水面不下降),就說明裝置不漏氣。

(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,注意讀取反應前的起始溫度和反應后的最高溫度。反應過程中,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,注意讀取反應前的起始溫度及反應后的最高溫度(即重復前述操作)。反應過程中容易觀察到,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)上述實驗所得數據見表1。

表1 鎂片、鋁片、鋅片、鐵片分別與稀鹽酸反應的溫度變化情況

分析表1中的實驗數據可知,等質量且均過量的不同金屬分別與等體積等濃度的稀鹽酸反應時,金屬鎂與稀鹽酸反應的溫度變化最大,金屬鐵與稀鹽酸反應的溫度變化最小,金屬鋅與稀鹽酸反應的溫度變化大于鐵、小于鋁,所以鎂、鋁、鋅、鐵4種金屬與鹽酸反應放出的熱量逐次減少。據此,可以確定這4種金屬的活動性由強到弱的順序是鎂、鋁、鋅、鐵。

2.4 實驗優點

(1)實驗設計科學簡約、通俗易懂,有助于學生明晰金屬活動性順序的內涵。

(2)把小試管作為反應室,反應產生的熱量集中,測出的溫度數值接近真實值,因而實驗的誤差小。

(3)廣口瓶、長頸漏斗和水組成了實驗體系內的壓強緩沖裝置,即便是金屬鎂、鋁與鹽酸劇烈反應也不會發生沖塞現象,確保了實驗安全和裝置穩定。

(4)實驗現象比較直觀,而且融入定量思維,有利于培養學生分析數據、處理數據的能力,發展學生的理性思維和證據推理意識。

(5)使用常規儀器,實驗的成本低,但實驗效果明顯,因此該實驗創新方案具有一定的推廣價值,尤其是對辦學條件相對薄弱的學校而言,不失為優秀的實驗教學資源。

3 結語

利用上述實驗裝置探究常見金屬的活動性順序,學生可以非常直觀地感知實驗現象并得出正確的實驗結論,從而使復雜的問題簡單化、抽象的問題形象化、模糊的問題明確化,有利于培養學生的科學態度,發展教師的專業素養,提升實驗教學的有效性。