Chemistry Labs

9年级

金属与金属活动性顺序

借助置换反应和氢作参照，比较金属形成离子的倾向。

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直觉反应活泼性的阶梯

把锌片放入蓝色硫酸铜溶液，铜会析出，蓝色逐渐变浅：锌原子把电子转移给铜离子。

这是一场电子转移的竞争：更容易失去电子的金属，可以置换溶液中活泼性较弱的金属离子。

初始视图按 K 到 Au 排列；切换视图可比较 Zn/CuSO₄、Cu/AgNO₃，以及不反应的 Cu/ZnSO₄。
三维丹尼尔电池：锌、铜电极，盐桥，电子流与电压
Zn/Cu 电极对在分隔开的原电池中体现相同的电子转移趋势。

中学阶段如何读取活动性顺序

定义: 金属活动性顺序

按金属形成阳离子的倾向排列的经验顺序。通常越靠前还原性越强；氢是比较基准，并非金属。

中学常用活动性顺序（从左到右逐渐减弱）
位置金属／参照常见现象
1K、Na、Ca与冷水反应
2Mg、Al、Zn、Fe与酸反应，速率不同
3Pb、（H）、Cu、Ag、Au排在 H 后：不与稀非氧化性酸放出 H₂

顺序靠前的金属通常能置换靠后金属的离子：Zn + CuSO₄ 能反应，而 Cu + ZnSO₄ 不反应。净离子方程式可略去旁观离子。

Zn(s)+CuX2+(aq)→ZnX2+(aq)+Cu(s)\ce{Zn(s) + Cu^2+(aq) -> Zn^2+(aq) + Cu(s)}
Zn+CuSOX4→ZnSOX4+Cu\ce{Zn + CuSO4 -> ZnSO4 + Cu}

例题: 铜能否从硫酸锌中置换出锌？

预测洁净铜片放入 ZnSO₄ 溶液是否反应。

解答

不反应。Zn 排在 Cu 前面，更易被氧化；在此条件下 Cu 不能把 Zn²⁺ 还原为 Zn。

例题: 镁与酸生成氢气

写出 Mg(s) 与稀盐酸反应的净离子方程式。

解答

Mg 排在 H 前面，可置换出 H₂：Mg + 2H⁺ → Mg²⁺ + H₂。氯离子是旁观离子。

大学电极电势解释活动顺序

标准还原电势是定量的平衡量，并非需要死记的神奇顺序。E°(M²⁺/M) 越负，通常表示相对标准氢电极，M 越易被氧化；实际电池电压还取决于活度和条件。

25 °C 下的部分标准还原电势
半反应E° / V
K⁺ + e⁻ → K−2.93
Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn−0.76
Fe²⁺ + 2e⁻ → Fe−0.44
2H⁺ + 2e⁻ → H₂0.00
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu+0.34
Ecell∘=Ecathode∘−Eanode∘E^\circ_{\rm cell}=E^\circ_{\rm cathode}-E^\circ_{\rm anode}

例题: 计算 Zn/Cu 电池电压

已知 E°(Cu²⁺/Cu)=+0.34 V、E°(Zn²⁺/Zn)=−0.76 V。

解答

Zn 在阳极被氧化，Cu²⁺ 在阴极被还原。E°cell = 0.34 − (−0.76) = +1.10 V；正值表示标准条件下所写方向自发。

非标准浓度下，能斯特方程会改变电势，浓度可能削弱甚至逆转简单顺序的预测。水溶液电解时水优先被还原，因此不会析出 K 或 Na。

参考文献

  • Chemistry: The Central Science · Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay, Bruce E. Bursten, Catherine J. Murphy, Patrick M. Woodward, Matthew W. Stoltzfus, 2018