金属活动性顺序

1865年，俄国学者别克托夫通过实验，研究了金属元素与水、酸和盐溶液之间置换反应的速度，发表了《一种元素取代另一种元素的研究》论文。

金属活性顺序总结如下：(H)Cu HgAg Pt Au

按照这个顺序，Na 位于 Ca 之前，因为 Na 与水的反应速度比 Ca 与水的反应速度快得多。

科学家们在研究电极电位时发现，钙的标准电极电位（E￠）比钠的标准电极电位小。别克托夫实验的原因是，当Ca与水反应时，会生成难溶的Ca(OH)2，阻止反应进行。金属在水溶液中形成低价稳定简单离子的标准电极电位由小到大排列，并排列成我们现在使用的金属活性系列。

人民教育出版社出版的初中《化学》对金属活性顺序的描述如下：人们经过长期的实践，把常见金属的化学活性顺序总结如下：

（H）

金属的活性逐渐降低

2. 金属活性系列在中学化学中的应用

1. 确定金属活性的强度

金属的活性反映了金属元素在水溶液中形成水合离子的倾向，也就是反映了金属在水溶液中发生氧化反应的难易程度。金属元素在水中越容易形成水合阳离子，其金属性越强，反之越弱。金属元素在水溶液中失去电子的难易程度，可以用标准电极电位（E￠）来判断。金属在溶液中的置换反应是一个复杂的过程，它包括金属原子脱离晶体表面变成气态原子、气态原子变成气态阳离子、气态阳离子变成水合离子的过程；还包括被置换的金属由水合离子变成气态离子、气态离子获得电子变成气态原子、气态原子沉积变成金属的过程。金属的电极电位就是考虑到以上因素，用来表示金属活性的物理量。

金属活性顺序表中，排在最前面的金属，其原子在水溶液中容易失去电子，且还原性越强，其离子获得电子越困难，氧化性越弱。从K到Au，金属活性依次递减，即K为最强的还原剂，Au3+为最强的氧化剂。

这里需要注意金属活性和元素金属性的区别。元素的金属性是指元素气态原子失去电子成为阳离子的倾向。决定元素金属性的定量尺度是电离能，而影响电离能的主要因素有原子半径、有效核电荷和电子的状态。元素的电离能越小，其气态原子越容易失去电子，元素的金属性越强。各元素第一电离能从小到大依次排列如下：

卡卡

在我们高中化学教学过程中，学生或教师经常会混淆金属活性和元素金属性质这两个概念而不加以区分。同时，教材中也没有对它们进行区分。例如，人民教育出版社高中《化学（必修和选修）》（上册）对元素金属性质判断依据的描述如下：

元素金属性的强度可以通过该元素与水（或酸）反应取代氢的难易程度，以及其最高价氧化物和水合物即氢氧化物的碱度强度来判断。

2.确定金属与水、非氧化性酸及盐溶液的置换反应规律

2.1. 金属与水的反应

2.1.1 最活泼的金属K、Ca、Na能直接与冷水发生反应，取代水中的氢，释放出H2。

例如：2K + 2H2O = 2KOH + H2↑

2.1.2 活性较低的金属Mg和Al可以与热水反应生成H2。

例如：Mg＋2H2O=Mg(OH)2＋H2↑

2.1.3 活性较低的金属，如Zn、Fe，在高温下能与水蒸气发生反应，生成H2。

如：Zn＋2H2O(g)Zn(OH)2＋H2↑

3Fe＋4H2O（克）

Fe3O4＋4H2↑

2.1.4. Sn与氢之后的金属不能取代水中的氢。

2.2 金属与酸的反应

2.2.1 与非氧化性酸的反应

氢前面的金属可以与非氧化性酸发生反应，取代酸中的氢并释放出H2。例如：Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑

2.2.2 与氧化酸的反应

除Pt、Au外，所有金属都能与浓硝酸反应放出NO2，与稀硝酸反应放出NO；除Ag、Pt、Au外，所有金属都能与浓硫酸反应放出SO2；Fe、Al等遇到浓硝酸或浓硫酸被“钝化”；Pt、Au不与浓硝酸或浓硫酸反应，但与王水反应。

2.3 溶液中金属与盐的置换反应。

位于金属活性系列最前面的金属（Mg 之后）可以从其原生溶液中取代后面金属的离子。

例如：Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu

Cu＋＝Cu(NO3)2＋2Ag

3.确定原电池的正负极

形成常见的原电池的三个基本条件是：（1）两种活性不同的金属作为电极；（2）其中一种金属能与电解质溶液自发发生氧化还原反应；（3）形成闭合电路。

当选取两种金属作为原电池的电极时，活性序列左侧的金属为负极，活性序列右侧的金属为正极。作为原电池电极的两种金属在金属活性序列中相距越远，它们组成的原电池电动势就越大。例如，Zn-Ag原电池的电动势大于Zn-Cu原电池的电动势，Zn-Ag原电池中Zn的反应速度也大于Zn-Cu原电池中Zn的反应速度。

4.确定电解池中金属离子的放电顺序

采用惰性电极电解溶液时，由于在阴极发生还原反应，因此放电顺序按阳离子氧化能力的大小排列。在同样的条件下，阳离子的氧化能力与金属的活性大小成反比，即金属元素的活性越弱，相应阳离子的氧化能力越强。阳离子的氧化能力要用电极电位来衡量，它与温度、离子浓度等​​有关，计算公式为：

由于中学知识限制，忽略浓度和温度的影响，常见阳离子按电极电位大小放电顺序为：Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+（酸）>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+（水）。

5. 其他应用

5.1 确定金属与氧的反应规律

一般来说，金属越活泼，越容易发生氧化反应，生成的氧化物也越稳定。例如金属活动性顺序，K、Ca、Na在常温下易与氧发生反应，所以多存放在煤油中；Al粉在空气中遇到火花就会燃烧或爆炸；Cu在空气中加热会生成CuO，而Ag、Au即使在空气中加热也不会生成氧化物。

5.2 推断自然界中金属的存在

金属活性序列中氢之前的金属在自然界中均以化合状态存在：不活泼金属如Cu、Hg、Ag在自然界中部分以化合状态存在，部分以游离状态存在；而Pt、Au则全部以游离状态存在。

5.3 确定金属冶炼方法

5.3.1. 从K到Al,均可采用其化合物的电解熔化方法。

5.3.2. 由Zn—Cu可知，在加热或高温下，用C、CO、H2、Al等还原剂可还原金属的氧化物。

5.3.3 汞和银加热可分解成它们的氧化物。

5.4 确定硝酸盐的分解产物

5.4.1. K、Ca、Na的硝酸盐在加热时分解生成亚硝酸盐和氧气。

例如：2KNO3=2KNO2＋O2↑

5.4.2. Mg-Cu硝酸盐在加热下分解生成高价金属氧化物NO2和O2。

例如：2Cu（NO3）2=2CuO＋4NO2↑＋O2↑

5.4.3. 硝酸汞金加热时分解为金属元素、NO2和O2。

如：=2Ag＋2NO2↑＋O2↑

三、金属活性系列使用注意事项

1.金属活性顺序一般只适用于水溶液体系中金属元素与其它非氧化性金属离子或非氧化性酸发生的置换反应。

首先，反应必须在水溶液中进行。

例如，按照金属活性的顺序，在水溶液中，钠金属不能取代KCl中的钾，但在高温（760-880℃）熔融状态下，钠金属可以取代比它活性大的钾金属，形成钾盐。反应方程式为：Na+KCl=NaCl+K↑

这是因为在熔融状态下，钾比钠更易挥发，而NaCl比KCl更稳定，从而使平衡向右移动。

其次，发生的反应必须是置换反应。

如果金属元素与盐溶液或酸发生非置换反应，则不能用金属活性顺序来确定反应的方向和产物。例如，可以用金属活性顺序确定Cu不能与FeCl2溶液发生置换反应，但Cu可以与FeCl3溶液发生氧化还原反应：

Cu＋=CuCl2＋

例如，在金属活性序列中位于氢之后的铜，不能与稀硫酸反应，但能与强氧化性的浓硫酸（或硝酸）反应：

Cu + (浓) = CuSO4 + SO2↑ + 2H2O

Cu＋4HNO3(浓)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O

2、金属活性系列不适用于活性金属（K、Ca、Na、Mg）与易水解的金属阳离子之间的反应。

这是因为这些活泼金属能与冷水发生反应，使溶液呈碱性，从而促进水解反应的进行，所以它不是一个置换反应。

例如：CuCl2＋2H2O＋2Na＝Cu(OH)2↓＋2NaCl＋H2↑

3.金属活性顺序仅仅从热力学角度指出了反应发生的可能性，但是没有考虑有关动力学因素的影响，也就是没有指出反应的可行性。

例如，按照金属活性的顺序，Sn、Pb完全可以和稀盐酸置换出氢。但实际上，反应速度却极其缓慢。造成这种情况的原因是多方面的金属活动性顺序，主要是动力学因素。这是因为氢的过电位的影响。Sn、Pb的表面电阻很大，表现为过电位高，所以反应速度很慢。

现在很多中学教材或者老师经常引导学生从金属与水或者酸的反应速率或者强度来分析、推断金属的活性。严格来说，这是不科学的。因为金属活性序列是按照标准电位排列的，只表示反应的趋势和程度，而反应速率是从热力学角度表示反应的快慢，两者之间没有必然联系。

4、金属的纯度、金属的表面状态也是影响其活性的重要因素。

例如，一个原电池由Zn和Fe组成，Zn为原电池的负极，理论判断与实验事实完全符合金属活性顺序。但如果一个原电池由Al和Zn组成，按金属活性顺序判断，Al应为负极，但实验结果却表明Zn为负极。造成这种颠倒的原因，是在Al表面形成了一层氧化膜。由于氧化膜是电绝缘体，虽然很薄，但它的覆盖使Al的电极电位由-1.67V升高到0.5V。再如，按金属活性顺序，粗粒纯金不溶于盐酸，但胶体状态的金却能溶解于盐酸，这是因为胶体状态的金具有巨大的表面能，使反应得以发生。