金属与稀酸的反应性：HSC 化学指南

两个完全相同的锥形瓶中装有相同体积、相同浓度的稀盐酸。你把镁放入其中一瓶，把锌放入另一瓶。两种金属的物质的量（摩尔数）相同。

哪一瓶产生氢气的速率较快？而哪一瓶最终产生的氢气总量较多？

很容易会直觉地认为两题的答案都是「镁」。第一题答对了，第二题则不对。

镁的反应较快，因为它比锌更活泼。但如果酸是过量的，等摩尔数的镁和锌最终会产生相同物质的量的氢气。反应速率和产生的气体总量所反映的是不同的事情。

理解这个差别，是比较金属与稀酸反应时活泼性的关键。

01实际上会观察到甚么

把一种活泼金属放入稀盐酸中，你可能会看到金属表面形成气泡。金属会逐渐消失，而试管亦可能变暖。

例如：

\[
\ce{Mg(s) + 2HCl(aq) -> MgCl2(aq) + H2(g)}
\]

这些气泡是氢气，\(\ce{H2}\)。

现在想像在相同条件下，用大小相同的几种金属样本重复进行实验。

这提供了一种实际方法来比较它们的相对活泼性：

\[
\ce{Mg > Zn > Fe > H > Cu}
\]

这里的排序表示，在这些金属之中，镁最倾向透过氧化而发生反应；铜则位于氢以下，通常不能从稀的非氧化性酸（例如盐酸）中置换出 \(\mathrm{H}^{+}\)。

这个排序也与金属在其他情况下的行为有关。作为比较，可参阅 金属与水的反应性。

02为甚么会形成氢气

在使用正式的化学概念之前，先想像一下反应必须发生甚么。

金属原子一开始是固体中的中性原子。若要以正离子的形式进入溶液，它必须失去电子。

以镁为例：

\[
\ce{Mg(s) -> Mg^2+(aq) + 2e^-}
\]

这些电子会被酸中的氢离子接受：

\[
\ce{2H+(aq) + 2e^- -> H2(g)}
\]

把两个半反应式合并：

\[
\ce{Mg(s) + 2H+(aq) -> Mg^2+(aq) + H2(g)}
\]

这是一个氧化还原反应。

• 镁被氧化，因为它失去电子。
• 氢离子被还原，因为它们得到电子。

一个有用的思考方式是：活泼性较高的金属更愿意「交出」电子。

可以想像两个人都想摆脱一项尴尬的群组聊天责任。镁非常急于把责任转交出去，而铜则宁愿自己保留。这个类比有助于理解电子转移的方向，但它也有局限，因为原子不会作出选择，而实际的反应性取决于能量和电化学因素。

03为甚么较活泼的金属通常反应较快

假设把镁和锌分别放入完全相同的稀盐酸样本中。

在继续阅读之前先预测一下：在最初的 20 秒内，哪一种金属的氢气体积上升曲线较陡？

镁。

在其他条件相同时，镁与 \(\mathrm{H}^{+}\) 的反应比锌更快。因此，氢气会以较高的速率产生。

如果把氢气体积对时间作图，反应较快的曲线会有较陡的初始斜率。

这里最重要的字眼是速率。

较活泼的金属通常会出现：

• 更剧烈的冒泡
• 每单位时间产生较多体积的氢气
• 气体体积对时间图线有较陡的斜率
• 消耗相同物质的量的金属所需时间较短

只要其他影响反应速率的因素受到控制，就可以利用这些观察结果来排列相对活泼性。

04反应速率不等于产生的气体总量

这是最常见的陷阱。

假设 \(0.0100\) mol 的镁和 \(0.0100\) mol 的锌都分别与过量盐酸完全反应。

它们的反应式为：

\[
\ce{Mg + 2HCl -> MgCl2 + H2}
\]

\[
\ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2}
\]

在两个反应式中：

\[
1\text{ mol 金属} : 1\text{ mol }\ce{H2}
\]

因此，每种金属都会产生：

\[
0.0100\text{ mol }\ce{H2}
\]

镁会更快达到这个最终量，但不会得到更大的最终量。

想像两个人各自把完全相同的水桶装满，只是其中一个水龙头的流速快得多。流速较快的水龙头会较早把水桶装满，但两个水桶装满时所含的水量仍然相同。

只有当最终产物的量由相同的限制量所决定时，这个类比才成立。如果改变金属的物质的量、化学计量关系，或改变哪一种反应物是限制试剂，最终的气体体积就可能不同。

05正确比较气体体积

气体体积的比较很有用，但前提是你知道哪些变量维持不变。

假设在其他条件相同时，镁在 20 秒内产生 80 mL 氢气，而锌产生 35 mL。这就是很好的证据，显示镁的反应较快。

但假设你只是发现其中一个样本最终产生的气体比另一个多。你能因此判断它是较活泼的金属吗？

不能。

较大的最终气体体积可能是由以下因素造成：

• 金属的摩尔数较多
• 金属与氢气之间的化学计量比不同
• 酸的量不同
• 其中一个实验以酸作为限制试剂
• 反应不完全
• 气体从装置中逸出

你需要把反应动力学和化学计量分开考虑：反应动力学关注的是速率，而化学计量决定最终可以形成多少产物。

06如何公平地比较金属

如果目的是利用反应速率比较相对活泼性，就应该控制其他变量。

一个合理的比较可以使用：

• 每种金属具有相同摩尔数
• 使用相同的酸
• 相同的酸浓度
• 相同的酸体积
• 酸为过量
• 相近的金属表面积
• 相同的温度
• 相同的气体收集装置

为甚么表面积很重要？

粉末状金属可以比相同金属的整块固体反应得更快，因为有更多金属表面暴露于酸中。如果粉末状锌比镁带反应得更快，你不能立即断定锌本身比镁更活泼，因为你同时改变了两个变量。

酸浓度也有同样的问题。浓度较高的酸在每单位体积中含有更多可反应粒子，因此提高浓度可以增加碰撞频率和反应速率。

公平的活泼性比较应只改变金属的种类，并尽可能使其他因素保持一致。

07使用气体体积图

气体体积图可以揭示两种不同的资讯。

斜率告诉你反应速率

在某一段时间内，氢气产生的平均速率可用以下公式计算：

\[
\text{平均速率}=\frac{\Delta V}{\Delta t}
\]

其中 \(\Delta V\) 是气体体积的变化，而 \(\Delta t\) 是相应的时间变化。

例如，如果氢气体积由 \(10\) s 时的 \(12\) mL 增加至 \(25\) s 时的 \(42\) mL：

\[
\text{平均速率}
=
\frac{42-12}{25-10}
=
\frac{30}{15}
=
2.0\text{ mL s}^{-1}
\]

图线越陡，表示气体产生速率越大。

平台告诉你产物总量

当图线变成水平时，代表氢气已不再产生。

平台的高度表示最终收集到的气体体积。

因此，两种金属的曲线可以出现：

• 初始斜率不同，但平台高度相同
• 斜率不同，而且平台高度也不同
• 斜率相近，但平台高度不同

如果只看图上的一个特征，就无法正确解读结果。

08为甚么铜的表现不同

如果把铜放入稀盐酸中，会发生甚么？

学生可能会推理，既然盐酸含有 \(\mathrm{H}^{+}\)，所有金属都应该释放氢气。但铜通常不会与稀盐酸反应而产生氢气。

要使以下反应

\[
\ce{Cu(s) + 2H+(aq) -> Cu^2+(aq) + H2(g)}
\]

在这些条件下自发发生，铜必须在自身被氧化的同时，还原氢离子。

在通常的金属活泼性序列中，铜位于氢以下。它的活泼性不足以从稀的非氧化性酸中置换出氢。

因此，预期不会出现持续的氢气冒泡。

这也说明为甚么「金属 + 酸一定产生氢气」并不是一条可靠的规则。只有当金属具有足够的活泼性，而且酸按预期方式反应时，这条规则才适用。

09关于「酸」这个词的一项注意事项

在 HSC 程度中，利用氢气产生来比较金属活泼性时，通常使用稀的非氧化性酸，例如盐酸或足够稀的硫酸。

不要把这条简单规则盲目套用到所有酸。

例如，硝酸是一种氧化性酸，在许多条件下可以产生氮氧化物，而不是氢气。它的反应需要另行考虑。

因此，实用的规则并不只是：

金属 + 酸 = 盐 + 氢气

更好的说法是：

在活泼性序列中位于氢以上的金属，通常可以还原稀的非氧化性酸中的 \(\mathrm{H}^{+}\)，产生氢气。

10要记住的判断原则

比较金属与稀酸的反应时，要分开问两个问题。

只有当实验条件允许公平比较时，较快的反应才是较高相对活泼性的证据。

单凭较大的最终气体体积并不能作出这个判断。

11问题与解答

问题 1

把相同摩尔数的镁和锌分别加入过量稀盐酸中，所有实验条件均相同。

指出哪种金属预期会较快产生氢气，并比较两者最终产生的氢气物质的量。

解答 1

镁应该较快产生氢气，但两种金属最终应产生相同摩尔数的氢气。

镁比锌更活泼，因此在可比较的条件下，它与氢离子的反应较快。

两种金属都按照相同的相关化学计量比反应：

\[
\ce{M + 2H+ -> M^2+ + H2}
\]

其中 \(\ce{M}\) 代表镁或锌。

每一摩尔任一种金属都产生一摩尔 \(\ce{H2}\)。由于使用的是相同摩尔数的金属，而且酸过量，因此最终氢气的物质的量相同。

陷阱在于假设较高的活泼性会自动表示产物总量较多。在这里，活泼性所解释的是较快的反应速率，而不是较大的化学计量产率。

问题 2

一份 \(0.243\) g 的镁样本与过量稀盐酸完全反应。

计算所产生氢气的物质的量，以及在实验条件下摩尔气体体积为 \(24.8\text{ L mol}^{-1}\) 时的气体体积。

使用 \(M(\ce{Mg})=24.3\text{ g mol}^{-1}\)。

解答 2

反应产生 \(0.0100\) mol 氢气，相当于 \(0.248\) L，即 \(248\) mL。

配平后的化学方程式为：

\[
\ce{Mg + 2HCl -> MgCl2 + H2}
\]

首先计算镁的物质的量：

\[
\begin{aligned}
n(\ce{Mg})
&=\frac{m}{M}\\
&=\frac{0.243\text{ g}}{24.3\text{ g mol}^{-1}}\\
&=0.0100\text{ mol}
\end{aligned}
\]

\(\ce{Mg}\) 与 \(\ce{H2}\) 的摩尔比为 \(1:1\)，因此：

\[
n(\ce{H2})=0.0100\text{ mol}
\]

现在使用 \(V=nV_m\)：

\[
\begin{aligned}
V(\ce{H2})
&=(0.0100\text{ mol})(24.8\text{ L mol}^{-1})\\
&=0.248\text{ L}
\end{aligned}
\]

因此：

\[
\boxed{V(\ce{H2})=248\text{ mL}}
\]

如果镁完全反应，而且收集氢气时没有显著损失，这就是预期的最终体积。

问题 3

两名学生利用稀盐酸比较锌和铁。

锌以细小颗粒形式提供，而铁则是一条大型金属条。锌产生氢气的速率较快。

学生能否单凭这个实验断定锌比铁更活泼？请解释。

解答 3

不能。这个结果与锌比铁更活泼的情况一致，但实验并没有把金属种类隔离为造成较快反应的唯一原因。

锌颗粒暴露于酸中的总表面积可能比铁条更大。较大的表面积可以提高反应速率，因为在金属与酸的界面上有更多金属粒子可参与反应。

因此，可能有两个变量共同影响测得的速率：

• 金属的种类
• 暴露的表面积

要有效比较相对活泼性，就应尽可能使表面积、酸浓度、酸体积、温度和其他相关条件保持一致。

容易犯的错误，是把任何观察到的速率差异都视为金属本身活泼性不同的证明。只有在其他可能的解释受到控制时，反应速率才是有用的证据。

问题 4

金属 X 和金属 Y 与稀盐酸反应时都形成 \(2+\) 离子。

取相同摩尔数的 X 和 Y，在相同条件下分别与过量酸反应。所得氢气体积数据如下：

比较 X 和 Y 的相对活泼性，并解释为甚么最终气体体积提供的资讯与曲线初段不同。

解答 4

在这些条件下，金属 X 比金属 Y 更活泼，而相同的最终气体体积表示两者最终产生了相同摩尔数的氢气。

在最初的 \(20\) s 内，X 的平均速率为：

\[
\begin{aligned}
\text{速率}_X
&=\frac{38-0}{20-0}\\
&=1.9\text{ mL s}^{-1}
\end{aligned}
\]

对 Y 而言：

\[
\begin{aligned}
\text{速率}_Y
&=\frac{18-0}{20-0}\\
&=0.90\text{ mL s}^{-1}
\end{aligned}
\]

因此，在这个初始时间区间内，X 产生氢气的速率超过 Y 的两倍。由于两个实验使用相同摩尔数的金属，而且条件相同，这个较快的速率就是 X 较活泼的证据。

两个反应最终都产生 \(100\) mL 氢气。由于两种金属都形成 \(2+\) 离子，它们的反应形式为：

\[
\ce{M + 2H+ -> M^2+ + H2}
\]

因此，当酸过量时，相同摩尔数的 X 和 Y 会产生相同摩尔数的氢气。

平台高度告诉我们形成了多少产物。斜率告诉我们产物形成的速率。在这个实验中，只有速率差异能区分它们的相对活泼性。

问题 5

一名学生想按照活泼性排列金属 P 和 Q。

在实验 1 中，\(0.50\) g 的 P 与过量稀盐酸反应，最终产生 \(210\) mL 氢气。

在实验 2 中，\(0.50\) g 的 Q 与过量稀盐酸反应，最终产生 \(150\) mL 氢气。

学生得出结论：

「金属 P 更活泼，因为它产生了更多氢气。」

评价这个结论。假设两种金属都完全反应，而且各自形成 \(2+\) 离子。

解答 5

这个结论没有充分根据。不同的最终氢气体积本身并不能证明 P 比 Q 更活泼。

对任一金属：

\[
\ce{M + 2H+ -> M^2+ + H2}
\]

因此，一摩尔金属会产生一摩尔氢气。

然而，这些实验使用的是相同质量，而不是相同摩尔数。

样本中的摩尔数为：

\[
n=\frac{m}{M}
\]

其中 \(M\) 是金属的摩尔质量。

如果 P 的摩尔质量低于 Q，那么 \(0.50\) g 的 P 就含有更多摩尔的金属。因此，即使 P 并不是较活泼的金属，它仍然可能产生更多摩尔的氢气。

要比较相对活泼性，学生应在受控制的条件下使用反应速率的证据，例如比较相同摩尔数、表面积相近的两种金属在反应初期产生氢气的速率。

学生这个说法中隐藏的假设，是相同质量代表相同数目的反应粒子。实际上并不是。

问题 6

三种金属 R、S 和 T 分别用相同的稀盐酸测试。

• R 产生快速的氢气冒泡。
• S 产生缓慢的氢气冒泡。
• T 没有产生可检测到的氢气。
• 后来，一名学生把 S 研磨成细粉，发现粉末状 S 在反应初期产生氢气的速率比一大块 R 更快。

另一名学生因此得出结论，认为 S 一定比 R 更活泼。

评估这些证据，并给出可以合理支持的最有力活泼性结论。

解答 6

原来受控制的观察支持 R 比 S 更活泼，而在测试条件下，T 是三者中还原氢离子能力最弱的。粉末状 S 的结果并不能推翻 R 与 S 的比较，因为表面积已经改变。

在原来的比较中，假设实验条件和暴露的金属表面均受到适当控制，R 产生氢气的速率比 S 更快。与相同稀酸反应较快，是相对活泼性较高的证据：

\[
\boxed{\ce{R > S}}
\]

T 没有产生可检测到的氢气。这表示在这些条件下，T 不容易从稀盐酸中置换出氢。它可能位于相关活泼性排序中氢的下方，但「没有可检测到的反应」应被视为一项实验观察，而不是绝对没有任何反应发生的证明。

第二个实验改变了表面积。把 S 研磨成粉末，会使更多金属粒子暴露于酸中。因此，即使该元素本身的相对活泼性没有改变，它的反应仍可以变得更快。

所以，以下观察：

\[
\text{粉末状 S 的反应比一大块 R 更快}
\]

并不能支持：

\[
\ce{S > R}
\]

因为反应速率同时受到金属种类和表面积影响。

这就是为甚么金属-酸实验在清楚区分两个概念后会更有用：活泼性决定金属进行氧化还原反应的倾向，而实验条件则决定这种倾向表现得有多快。这个区分可以直接衔接到碰撞理论、活化能，以及更定量地比较氧化还原行为的方法。