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(dòng)性的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了理想與現(xiàn)實(shí)的差距，在解決問(wèn)題中，他們學(xué)會(huì)了像化學(xué)家那樣研究問(wèn)題。

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

文章編號(hào)：1008-0546（2018）12-0018-02中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.12.006

一、問(wèn)題的提出

金屬活動(dòng)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(kāi)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(gè)相對(duì)完整的金屬活動(dòng)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(shì)來(lái)定量地表示其在溶液中還原能力的大小，它是相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電極電勢(shì)，即標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)。標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)越小，該金屬的還原性越強(qiáng)。金屬活動(dòng)性是反映一個(gè)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(dòng)性?xún)煞N常用方法。

金屬鈦的活動(dòng)性如何？它在金屬活動(dòng)順序表中的位置如何？在一次化學(xué)專(zhuān)題復(fù)習(xí)課中，老師提出一個(gè)問(wèn)題，如何確定鎂、鈦、銅的金屬活動(dòng)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(dòng)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(lái)的實(shí)驗(yàn)過(guò)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(duì)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(dòng)性并不很科學(xué)。

方案②，同學(xué)們?cè)O(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(lái)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(wú)味，用拇指堵住試管口，靠近酒精燈的火焰，松開(kāi)拇指，聽(tīng)到尖銳的爆鳴聲，說(shuō)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(lèi)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(jià)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(gè)反應(yīng)，方案②不適于比較此三種金屬的活動(dòng)性。

于是某同學(xué)聯(lián)想到滬教版下冊(cè)化學(xué)第九章Cu-Zn原電池，可以證明鋅的活動(dòng)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(gè)實(shí)驗(yàn)只能說(shuō)明鎂的金屬活動(dòng)性大于銅。有同學(xué)將鎂條換成了銅棒，并沒(méi)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(shí)，很難失去電子。

接著，同學(xué)們開(kāi)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(lái)驗(yàn)證這三種金屬的活動(dòng)性。

三、理論追蹤

鎂、鈦、銅的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)如下表4。

標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)是可逆電極在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)及平衡態(tài)時(shí)的電勢(shì)，也是標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時(shí)的電極電勢(shì)。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(shí)測(cè)得的平衡電位。標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，可用來(lái)判斷氧化劑與還原劑的相對(duì)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(dòng)勢(shì)、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(shì)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(jí)化學(xué)下冊(cè)，P42頁(yè)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(shuō)明金屬的活動(dòng)性的強(qiáng)弱”，從而總結(jié)出常見(jiàn)金屬的活動(dòng)性順序。人教版九年級(jí)化學(xué)第八單元?jiǎng)t是金屬是否與酸反應(yīng)，而沒(méi)有說(shuō)反應(yīng)的劇烈程度說(shuō)明金屬的活動(dòng)性?？梢哉f(shuō)，利用金屬與水反應(yīng)或與酸反應(yīng)的劇烈程度來(lái)判斷金屬的活動(dòng)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(dòng)力學(xué)角度，反應(yīng)可能性、反應(yīng)方向、趨勢(shì)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(dòng)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(lèi)。

（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?gòu)乃鼈兊柠}溶液中置換出來(lái)。注意，有些金屬活動(dòng)性強(qiáng)的金屬（K、Ca、Na、Mg）與易水解的金屬陽(yáng)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(shí)，活動(dòng)性強(qiáng)的金屬為負(fù)極，活動(dòng)性弱的金屬為正極。

3.判斷金屬活動(dòng)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(dòng)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(lái)，則甲的金屬活動(dòng)性大于乙。

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

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

4.特殊情況。

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

參考文獻(xiàn)

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