剖析金属活动性顺序

    ■平和学校化学教师 相永伟

    第二学期的化学学习方法注重“掌握规律、举一反三”，本学期的知识难点之一，金属活动性顺序就很明确地体现出这一要求。因此在学习过程中，与其花很多时间在个案上，不如先下功夫研究一下金属活动性顺序表所蕴含的意义，如果真正完全地掌握了这些规律，那么金属与溶液之间的反应就如囊中取物了。所以，下面就让我们来详细剖析一下金属活动性顺序。

    K>Ca>Na>H（水中氢元素）

    >Mg>Al>Zn>Fe>Sn>Pb>H（酸中氢元素）

    >Cu>Hg>Ag>Pt>Au

    1.上表中的金属按金属活动性由强到弱的顺序排列，即排在越前面的金属化学性质越活泼，但是上表中还有很多种金属未列出，所以只代表了常见金属的活动性顺序，对于不在表中的金属，我们要具体问题具体讨论。

    2.排在H（酸中氢元素）之前的金属，可以从酸中置换出氢气。如实验室制取氢气的化学方程式为：Zn+H2SO4→

    ZnSO4+ H2↑。注意，这里的酸主要是指稀盐酸和稀硫酸，尤其强调不包括浓硫酸和硝酸，虽然浓硫酸和硝酸都能与这些金属反应，但是反应不放出氢气，具体内容我们会在高中阶段进行深入学习。

    3.排在前面的金属可以将排在后面的金属从其“盐溶液”里置换出来。这句话除了说明活动性强的金属可以置换出活动性弱的金属之外，有三个字尤为重要——盐溶液，这里包含了两层意思，一是物质类别为盐，二是可溶于水的物质，故又可以理解为“可溶性盐的水溶液”。（具体辨析参见后文“练一练”。）

    4.上表中有一个很多同学没有见过的“H（水中氢元素）”，但相信会举一反三的同学已经明白了它存在的意义。是的，排在H（水中氢元素）前面的金属非常活泼，甚至可以从水中置换出氢气，如：2Na+2H2O→2NaOH+H2↑，当然也会从酸中置换出氢气，那么它们能否将排在其后的金属从盐溶液中置换出来呢？理论上，它们的化学性质那么活泼，应该有能力发生置换反应，但是问题就出在盐“溶液”上，通常溶液中水占了绝大部分，所以将K、Ca、Na这么活泼的金属投入盐溶液中，它们遇到水分子的几率远大于遇到盐分子的几率，实际上是在跟水发生反应，置换出的是氢气，而不是活动性较弱的金属。

    5.在置换反应中，单质铁进入溶液后只会转化成+2价的亚铁，如Fe+CuSO4→

    FeSO4+Cu和Fe+H2SO4→FeSO4+H2↑。

    6.置换反应可以利用“等价交换”原则来进行配平。如Zn+H2SO4→ZnSO4

    +H2↑中，一份+2价的Zn可以换出2份+1价的H，即只需一份H2SO4即可，故方程式的计量数均为1。又如2Al+3CuSO4→Al2(SO4)3+3Cu中，2份+3价的Al可以置换出3份+2价的Cu，那么Al2(SO4)3的化学式也就不难写出了。

    上述六点就是对金属活动性顺序表含义的剖析，你是否明白了呢？那么下面，我们通过一些练习来检验一下你今天的收获。

    【练一练】

    【题1】 判断以下物质之间能否发生置换反应，若能进行，请将化学方程式书写完整；若不能，请思考原因。

    ①Zn和CuSO4溶液

    ②Fe和盐酸

    ③Fe和ZnSO4溶液

    ④Fe和Cu(OH)2

    ⑤Cu和AgCl

    ⑥K和CuSO4溶液

    【题2】 将铁粉和锌粉的混合物投入一定量的CuSO4溶液中，充分反应后，问残余固体可能是什么？

    【题3】 将一定量的铁粉投入Cu(NO3)2、AgNO3的混合溶液中，充分反应后，问残余固体可能是什么？

       【答案与分析】

    【题1】

    ①可以反应，Zn比Cu活泼，且CuSO4溶液为盐溶液。

    Zn+CuSO4→ZnSO4+Cu

    ②可以反应，Fe排在H（酸中氢元素）之前，且记得置换反应中生成亚铁。

    Fe+2HCl→FeCl2+H2↑

    ③不能反应，Fe没有Zn活泼，不能置换出Zn。

    ④不能反应，虽然Fe比Cu活泼，但是Cu(OH)2的物质类别为碱，不反应。

    ⑤不能反应，虽然Cu比Ag活泼，且AgCl为盐，但是它是不溶性物质，不能形成溶液，故不能发生反应。

    ⑥不能反应，虽然K的活动性强于Cu，但是K太活泼，会与水发生反应，所以不能置换出Cu，实际过程中发生的是以下两个反应：

    2K+2H2O→2KOH+H2↑，

    2KOH+CuSO4→Cu(OH)2↓+K2SO4

    【题2】 本题中有一个很关键的词，“一定量”。CuSO4溶液的量到底是多少呢？我们要分三类情况讨论——足量、略不足、极少量。

    当CuSO4溶液足量时，由于Zn和Fe的活动性都强于Cu，所以都能与之发生反应。Zn+CuSO4→ZnSO4+Cu和Fe+CuSO4→FeSO4+Cu，且CuSO4的量足够多，所以Zn和Fe都能反应完，故此时残余固体只有Cu。

    当CuSO4溶液极少量时，它又跟谁反应呢？反应有先后顺序吗？实际上，CuSO4本身没有选择性，它在溶液中遇到哪种物质就先与之反应，所以可以看成同时反应。但是由于CuSO4的量极少，因此Zn和Fe都有剩余，而溶液中有ZnSO4和FeSO4生成。又因为Zn比Fe活泼，此时剩余的Zn会和生成的FeSO4发生反应：Zn+FeSO4→ZnSO4+Fe，所以，只要有Zn的存在，溶液中就不可能有FeSO4，因此我们可以看成CuSO4先与较活泼的Zn反应，只有在Zn反应完以后，Fe才有可能进入溶液中。因此，当CuSO4极少时，可能连Zn都反应不完，因此残余固体中有未反应完的Zn，未参与反应的Fe和反应置换出来的Cu。

    当CuSO4溶液量略少时，可以看成够与一种金属反应，而不够将两种金属都反应完。我们已经得出结论，CuSO4先与Zn反应，将Zn反应完，再与Fe反应，而其量不够将Fe反应完，故此时残余固体中有未反应完的Fe和反应置换出来的Cu。

    【题3】 本题中仍有这个很关键的词，“一定量”铁粉的量到底是多少呢？我们同样要分三类情况讨论——足量、略不足、极少量。

    当铁粉足量时，由于Fe的活动性强于Cu和Ag，所以都能与之发生反应。Fe+Cu(NO3)2→Fe(NO3)2+Cu，Fe+2AgNO3→Fe(NO3)2+2Ag，且Fe的量足够多，所以当Cu(NO3)2和AgNO3都反应完时，Fe仍有剩余，故此时残余固体为置换出来的Cu、Ag和剩余的Fe。

    当铁粉极少量时，它又跟谁反应呢？反应有先后顺序吗？同样的，Fe本身并没有选择性，它在溶液中遇到哪种物质就先与之反应，所以可以看成同时反应。但是由于Fe的量极少，因此Cu(NO3)2和AgNO3都有剩余，同时有Cu和Ag生成。又因为Cu比Ag活泼，此时置换出的Cu会和溶液中的AgNO3发生反应：Cu+2AgNO3→Cu(NO3)2+2Ag，所以，只要有AgNO3的存在，残余固体中就不可能有Cu，因此我们可以看成Fe先与较不活泼的Ag的盐溶液反应，只有在AgNO3反应完以后，Cu才有可能从Cu(NO3)2溶液中析出。因此，当铁粉极少时，可能连AgNO3都反应不完，Cu(NO3)2也未参与反应，因此残余固体中只有置换出来的Ag。（Fe量少，无剩余；Cu未被置换出来。）

    当铁粉量略少时，可以看成够与一种盐溶液反应，而不够将两种盐溶液的金属都置换出来。由第2题我们已经得出结论，Fe先与AgNO3反应，将Ag全部置换出来后，再与Cu(NO3)2反应，而其量不够将全部的Cu置换出来，故此时残余固体中有置换出来的Ag和Cu（Fe量少，无剩余）。

    【拓展与小结】

    从上述例题的第2题和第3题中，你是否能总结出一些规律呢？

    第2题中，两种活泼金属（Zn、Fe）均能从同种盐溶液（CuSO4）中置换出金属，此时活动性较强的金属优先反应。就好比当两个跑步运动员朝同一个目标进发，当然是跑得快的获得胜利啦，简单归纳来就是“二抢一、强者先”。

    第3题中，一种活泼金属均能与两种盐溶液反应置换出金属，此时活动性较弱的金属的盐溶液优先反应。就好比当一个人面临着两个挑战，我们应该脚踏实地，由低做起，由简入繁，把容易的问题先解决，再挑战更困难的问题，也就是“一挑二、弱者先”。

    关于金属活动性的问题我们就先讲到这里，可能你会觉得这一章节中还有很多困难的问题。的确，金属章节的内容和学习方法与第一学期的化学学习截然不同，但其实所有问题的本质和解决思路是相通的，首先我们要以理解为本，然后进行深入思考，分析实质，总结规律，灵活运用，举一反三。不要畏难，大胆分析，仔细思考，相信你一定能够克服金属这一章节的，成功就在不远处，加油！