金属活动性顺序表的诞生与发展

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1、金属活动性顺序表的诞生与发展金属活动顺序表是中学化学判断溶液中金属的置换顺序，即金属活动性的判 断依据。然而，通过教材比较可以发现，不同国家教材金属活动顺序表中金属的 排列顺序略有出入，如表 1。由表1可以看出中国和美国教材金属活动顺序表中金属活动性：CaNa,而 英国和新加坡教材中则是：NaCa，是什么原因导致教材出现这两种不同的排列 呢？这就要从金属活动顺序表中的产生和发展历史中去追寻原因。一、金属活动顺序表的历史11812 年瑞典化学家贝齐里乌斯根据实验现象最先提出了金属活动顺序。后 来，俄国化学家贝开托夫在进行大量实验和系统研究之后，于 1865年发表了对 某一元素为另一元素所置换的研

2、究的论文，使金属置换顺序更加明确和完善。贝开托夫金属置换顺序K NaCaMgAlZnFeSnPbHCuHgAgAu表中多数金属的排列顺序是以贝开托夫的直接置换的实验事实为依据。活泼 金属K、Ca、Na在盐溶液中总是先和水电离的H+发生反应，不能直接判断置换 顺序，则根据它们与水或酸反应的剧烈程度，顺序排列为K、Na、Ca。这个顺 序长期沿用下来，在十九世纪七十年代首先提出了金属活动顺序表，排列顺序如 下：K NaCaMgAlMnZnFeNiSnPbHCuHgAgPtAu这样的金属活动顺序表主要是按单质实际置换难易程度的顺序排列而成，反 映不同金属与其他物质作用时反应的剧烈程度，因而它是从动力学

3、的角度来反映 金属的性质的，称为动力学金属活动顺序表。随着对电极电势研究的深入，化学家们发现电极电势是衡量金属在溶液中还 原能力的定量尺度，按金属在水溶液中形成最低价离子的标准电极电势 Eo 代数 值由小到大的次序排列形成的金属活动顺序表，称为热力学金属活动顺序表，排 列顺序如下：KCa NaMgAlZnCrFeNiSnPbHCuHgAgPtAu活动性由强到弱比较发现，两种金属活动顺序表基本一致，只是 Na 和 Ca 的顺序相反。中 国大陆现行的中学化学教材和美国中学科学教程的金属活动顺序表采用热力学金属活动顺序表，而英国和新加坡的教材则是沿用动力学金属活动顺序表。二、动力学金属活动顺序表动力

4、学金属活动顺序表是以定性的实验结果确定某一金属活动性或是置换 性强弱，直观反映实现反应的速度快慢。例如，钙与水的反应不如钠和水的反应 剧烈。因此，动力学金属活动顺序表中钙排在钠后面。这可能是由于钠是低熔点 金属（熔点为97.9C）,在反应过程中放出的热量足以使其熔化，从而使反应速 度加快。相反，钙的熔点（845C ）高得多，而且由于生成的Ca （OH） 2的溶解 度小，沉积在金属钙的表面上，使反应速度减慢2。三、热力学金属活动顺序表金属活动性反映金属在水溶液（非固相、或气相条件下）里形成简单水合离 子的倾向的大小，它以金属的标准电极电势 Eo 为依据。电极电势是固态金属原 子在水溶液中失去电子

5、成为水合金属离子时所需要的能量，这个能量包括电离 能、升华能和水合能。1. 热力学金属活动顺序表的优越性热力学金属活动顺序表是标准电极电势精确定量数据的反映，严密而精确， 而且其意义可通过热力学量进一步获得解释，还可找出金属活动性差异的主要原 因。Na与水的反应比Ca与水的反应剧烈，因此，传统的动力学金属活动顺序表 得出 Na 金属活动性大于 Ca 的结论。但是，这仅仅基于实验的定性判断，并不 能给出定量解释。热力学金属活动顺序表得出 Ca 金属活动性大于 Na 的这一迥 然相反的结论，能通过标准电极电势精确数值的比较来定量说明原因。标准电极电势是在标准状况下（25C, 1x105 Pa，溶液

6、中的阳离子浓度为1M） 测得的， Eo 值的大小表明金属在水溶液中形成稳定阳离子的趋势的大小3。 Eo 越小，在溶液中越易失去电子而形成稳定离子。表1由表1可知，Ca的标准电极电势为Eo=-2.866V, Na为Eo= -2.714V。因此，在水溶液中，Ca形成离子的趋势大于 Na，在热力学金属活动顺序表中Ca要排在Na的前面。Eo值比Eo值小的主 要原因是Ca2+的水和能远大于Na+, Ca2+的水和趋势比Na+要大得多。热力学金属活动顺序表是反映了对应金属标准电极电势数据的大小顺序，可 以对金属的氧化趋势做定量的描述和比较，从而对某一氧化还原反应进行的可能 性和方向作出判断。2. 热力学金

7、属活动顺序表的局限性热力学金属活动顺序表的依据是标准电极电势Eo,由于标准电极电势要受 特定条件的严格限制，金属活动顺序表的这种排列也受到相关条件的限制。(1) Eo 的数值表示的是标准状态下的数值：即25C和Mn+=1 mol•L-1条件下的特定数值。因此，热力学金属活 动顺序只代表标准状态下的金属活动顺序。在非标准状态下,金属活动顺序将随 之发生变化。例如：在标准状态下， Cu 不能与稀盐酸发生置换反应，但 Cu 与浓盐酸在加 热时可发生反应5:Cu+HCl (稀)2Cu+8HCl (浓)f2H3CuC14+H2f因为在标态下:Eo=0.00vEo，活动性是:HCu；但在加热和

8、浓盐酸条件下， 即 t25C, H+ 1 mol•L-1,由于氢气的逸出(PH2V101325 Pa)和配离 子CuC143-的形成，根据能斯特方程6：Eo=Eo+lg0.00这时对于 Cu 的电极反应变成了 Cu+4Cl-CuC143-+e-；此时， E=Eo+lg；因为溶液中大部分的Cu+与C1-结合生成络合离子，溶液中Cu+的浓度很低, 所以Eo大为减小。E减小到一定的程度，当EoFe，但由于Cr表面在空气中易形成钝化膜, 故金属的实际活泼性是CrVFe。(3) 采用的 Eo 是水溶液中的标准电极电势：热力学金属活动顺序只表示金属在水溶液中活泼性的相对强弱，当介质改变 时金属

9、的活泼性也会发生变化。四、总结对于化学实验每一个反应的结果同时与热力学因素和动力学因素有关，即不 仅取决于反应趋势或可能性，还和实现反应的速度快慢有关。热力学金属活动顺序表是通过精确的标准电极电势数据加以排序得到的，而 标准电极电位只从热力学的角度，讨论反应进行的可能性，并不涉及实现反应的 速度问题；因此，依据热力学金属活动顺序表的排列顺序只能判断反应的趋势。 至于电离能的大小，电负性的强弱，反应的快慢等则均与热力学金属活动顺序表 研究的对象无关。同时，利用热力学金属活动顺序表时，还应注意具体的条件是 否满足水溶液的纯金属标准状态，否则不能简单套用表中的顺序进行相关反应趋 势的判断。传统的动力

10、学金属活动顺序表从定性的实验结果加以确定，虽然没有严格的 定量尺度，但是按单质实际置换难易程度的顺序排列而成，仍有其应用的价值。 除个别元素外，动力学金属活动性的排列顺序与热力学活动性顺序大体一致。金属活动性顺序表的应用是中学化学的一个重要内容，贯穿中学化学的教学 过程；因此，中学化学教师了解金属活动顺序表的形成和发展过程及其深层的量 化原理是十分必要的。本文梳理总结了金属活动性顺序表的出现和发展过程，并 融入现代化学的观点，以期为化学教师教学过程提供必要的参考。参考文献：1 张德钧，金志杰，恽祥媛，唐文荣编.打开你的化学思路M.南京：江 苏科学技术出版社， 1990：60-61.2 河北师范大学化学系.中学化学问题解答M.石家庄：河北人民出版 社， 1981： 319.3 覃维明，杨碧楠，覃浩编著中学化学基础知识精要M.重庆：重庆出 版社， 1990： 71.4 汤若平. 钠与钙的金属活动性顺序如何排列 J. 中学化学教学参考， 2007（4）： 365 北京师范大学无机化学教研室等编著无机化学M.（第四版，下册） 北京：高等教育出版社， 2004： 703-704.6 华彤文，陈景祖等编著. 普通化学原理（第三版） . 北京：北京大学出 版社， 2005： 212.注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以 PDF 格式阅读”