金属置换反应:HSC 化学变化预测

学习如何运用金属活性序和电子转移来预测金属置换反应。内容包括详细例题、常见迷思及练习题。

将一条锌金属片放入蓝色的硫酸铜(II)溶液中。几分钟后,蓝色逐渐变淡,锌片表面出现红棕色的固体。

在学习反应规则之前,先试著预测发生了甚么事。

铜是否以某种方式从溶液中「移出来」,并变成金属?为甚么锌能让这件事发生?而如果将铜片放入硫酸锌溶液中,为甚么不会发生同样的事情?

示意图显示锌片置于蓝色硫酸铜(II)溶液中,锌片表面逐渐形成铜镀层,而溶液的颜色随时间逐渐变淡。
锌将铜离子从溶液中置换出来,生成铜金属,并使硫酸铜(II)溶液的蓝色逐渐变淡。

金属置换反应能解决一个简单但重要的化学问题:我们如何预测一种金属能否取代溶液中的另一种金属?

答案在于了解哪些金属原子比较容易失去电子。

01核心概念:金属之间对电子的竞争

想像两种金属在溶液中相遇。一种金属以固体金属中的原子形式存在;另一种则以溶解在水中的带正电金属离子形式存在。

金属原子可以透过失去电子而变成离子:

\[ \ce{M -> M^{n+} + ne^-} \]

金属原子因为失去电子而被氧化。

金属离子可以透过得到电子而变成固态金属原子:

\[ \ce{M^{n+} + ne^- -> M} \]

金属离子因为得到电子而被还原。

当活性较高的金属将电子转移给活性较低的金属离子时,就会发生置换反应。

例如:

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

锌原子失去电子:

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

铜离子得到这些电子:

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

锌之所以能将铜「置换」出溶液,是因为锌更容易失去电子。

示意图显示锌原子将电子转移给铜离子,使锌变成 Zn2+ 离子,而铜离子变成铜金属。
在置换反应中,锌会将电子转移给铜离子,生成锌离子和固态铜。

02利用金属活性序预测置换反应

化学家会将金属按照活性排列成金属活性序。排列位置越高的金属,越容易失去电子。

以下是金属活性序的一个简化部分:

活性较高活性较低
钾K
钠Na
钙Ca
镁Mg
铝Al
锌Zn
铁Fe
铜Cu
银Ag
金Au

判断规则如下:

一种金属可以置换出在金属活性序中排在它下方的金属离子。

因此:

  • 锌 + 铜(II)离子 → 发生反应
  • 铜 + 锌离子 → 不发生反应
  • 镁 + 铁(II)离子 → 发生反应
  • 银 + 铜(II)离子 → 不发生反应

固态金属的活性必须高于它试图置换的金属离子所对应的金属。

03第一个模型:「乐于给出电子」的概念

一个有用的理解方法,是想像金属正在参加派对。

有些金属就像会立即把零食分给别人的朋友;另一些则甚么都不愿意分享。

像镁这样活性较高的金属,很容易交出电子。像铜这样活性较低的金属,则没有那么容易失去电子。

当镁遇到铜离子时,镁会失去电子,而铜离子会接受这些电子。

这个比喻有助于理解电子转移,因为它呈现了两者之间的竞争:一种金属失去电子,另一种金属离子得到电子。

然而,这个比喻并不完全准确。金属并不会作出选择,也不会真的「想要」甚么。金属的活性取决于原子结构、能量变化,以及电子被移除的难易程度。

如欲进一步了解为甚么不同金属具有不同的活性,请参阅 金属活性的周期性规律:HSC 化学解析。

04在实验中会观察到甚么?

假设你将一条镁带放入硫酸铜(II)溶液中。

继续阅读之前,先预测实验现象:

  • 溶液的颜色会改变吗?
  • 会有固体生成吗?
  • 镁会逐渐消失吗?

反应如下:

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

镁在金属活性序中排在铜的上方,因此反应会发生。

你会观察到:

  • 蓝色的铜(II)离子从溶液中被消耗,因此蓝色会逐渐变淡
  • 铜金属生成,并形成红棕色的镀层
  • 随著镁离子进入溶液,镁会逐渐溶解
示意图显示镁带放入蓝色硫酸铜溶液中,镁带表面逐渐形成铜镀层,而溶液的颜色变得较淡。
镁将铜离子从溶液中置换出来,生成铜金属,同时镁溶解并形成镁离子。

这些实验现象是电子转移的证据,但它们本身并不是反应。真正的化学变化是不同物种之间的电子转移。

05学生经常出错的地方:金属离子也很重要

一个常见的错误是只看固态金属。

学生可能会认为:

「铝是一种活性很高的金属,所以铝金属一定会发生反应。」

并不完全正确。

另一种物质必须能够接受这些电子。

例如:

\[ \ce{Al(s) + Cu^2+(aq) -> Al^3+(aq) + Cu(s)} \]

这个反应可以发生,因为铜离子在金属活性序中排在铝的下方。

但是:

\[ \ce{Cu(s) + Al^3+(aq)} \]

不会发生反应,因为铜的活性不足以将铝从其离子中置换出来。

反应方向十分重要。

06正确书写置换反应

预测反应时,请按照以下步骤进行。

步骤 1:辨认固态金属

这是你加入溶液中的金属。

例如:

\[ \ce{Zn(s) + CuSO4(aq)} \]

固态金属是锌。

步骤 2:找出溶液中的金属离子

硫酸铜含有:

\[ \ce{Cu^2+(aq)} \]

被置换的金属是铜。

步骤 3:比较两者在金属活性序中的位置

锌排在铜的上方,因此锌可以置换铜。

步骤 4:写出生成物

锌变成离子:

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

铜离子变成金属:

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

总反应式:

\[ \ce{Zn(s) + CuSO4(aq) -> ZnSO4(aq) + Cu(s)} \]

07例题:镁能置换铁吗?

将一条镁带放入硫酸铁(II)溶液中。预测反应是否会发生,并写出配平的化学方程式。

步骤 1

固态金属是镁。溶液中的金属离子是铁(II)离子,\(\mathrm{Fe}^{2+}\)。

步骤 2

镁在金属活性序中排在铁的上方,因此镁更容易失去电子。

步骤 3

镁原子变成镁离子:

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

铁离子得到电子:

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

步骤 4

\[ \ce{Mg(s) + FeSO4(aq) -> MgSO4(aq) + Fe(s)} \]

反应会发生,因为镁会将溶液中的铁置换出来。

可观察到的现象是镁逐渐溶解,并有铁金属生成。

08例题:预测银离子参与的反应

将一条铜线放入硝酸银溶液中。预测生成物,并解释实验现象。

步骤 1

固态金属是铜。溶液中含有银离子:

\[ \ce{AgNO3(aq) -> Ag^+(aq) + NO3^-(aq)} \]

步骤 2

铜在金属活性序中排在银的上方,因此铜可以置换银离子。

步骤 3

铜失去两个电子:

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

每个银离子得到一个电子:

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

因此,需要两个银离子:

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

步骤 4

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

反应会发生。

铜线表面会覆盖银晶体,而铜离子会进入溶液。由于生成了 \(\mathrm{Cu}^{2+}\) 离子,溶液可能会变成蓝色。

09将置换反应与氧化还原反应连结起来

金属置换反应并不是另一个需要死记的独立技巧,而是一种氧化还原反应。

其中一种物种被氧化:

\[ \text{失去电子} \]

另一种物种被还原:

\[ \text{得到电子} \]

一个有用的记忆口诀是:

OIL RIG

  • Oxidation Is Loss(氧化是失去电子)
  • Reduction Is Gain(还原是得到电子)

如欲进一步练习置换反应背后的电子转移概念,请参阅 透过电子转移理解氧化与还原:HSC 化学。

比较示意图显示金属置换反应中的锌氧化与铜离子还原,两者透过电子转移相互连结。
锌透过氧化失去电子,而铜离子则透过还原得到电子。

10问题与解答

问题 1

将一块锌金属放入氯化铜(II)溶液中。

预测反应是否会发生,并写出配平的化学方程式。

解答 1

反应会发生,因为锌的活性比铜高,因此锌可以将铜离子从溶液中置换出来。

锌被氧化:

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

铜离子被还原:

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

配平的化学方程式为:

\[ \ce{Zn(s) + CuCl2(aq) -> ZnCl2(aq) + Cu(s)} \]

关键概念是锌不会置换氯离子。参与置换反应的是金属离子。

问题 2

一名学生将铜片放入硫酸镁溶液中,并预测会生成镁金属,理由是铜本身是一种固态金属。

解释这个预测是否正确。

解答 2

这个预测不正确,因为铜不能置换镁离子。

镁在金属活性序中排在铜的上方。与铜原子相比,镁原子更容易失去电子。

若要生成镁金属,\(\mathrm{Mg}^{2+}\) 离子就必须得到电子:

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

然而,铜的活性不足以提供这些电子。

因此,不会发生置换反应,铜片也会保持不变。

这道题的陷阱在于,不能假设某种金属只要是固态,就一定能由其离子生成。电子转移的方向取决于金属之间的相对活性。

问题 3

一名学生分别将三种金属放入不同的溶液中进行测试。

测试加入的金属溶液
A铁硫酸铜(II)
B铜硝酸银
C银硫酸铜(II)

预测哪些测试会发生反应,并解释其中的规律。

解答 3

测试 A 和 B 会发生反应,但测试 C 不会。

测试 A:

铁在金属活性序中排在铜的上方,因此铁会失去电子,而铜离子会得到电子。

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

测试 B:

铜排在银的上方,因此铜会置换银离子。

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

测试 C:

银排在铜的下方,因此银无法从铜离子中取得电子。不会发生反应。

这个规律并不是「金属会与金属溶液发生反应」。正确的规则是,只有活性较高的金属才能置换活性较低的金属离子。

问题 4

一名学生注意到铝在金属活性序中排位很高,但发现将铝片放入硫酸铜(II)溶液时,有时看起来不会立即发生反应。

解释这种情况为何会发生,并预测如果铝的表面暴露出来,会有甚么结果。

解答 4

反应可能会延迟发生,因为铝的表面覆盖著一层薄薄的氧化铝。

实际上,铝的活性比铜高,因此预期发生的置换反应为:

\[ \ce{2Al(s) + 3Cu^2+(aq) -> 2Al^3+(aq) + 3Cu(s)} \]

然而,氧化层会在铝原子与铜离子之间形成屏障。当表面受到保护时,电子转移便难以进行。

如果移除氧化层,铝就可以与溶液反应,并生成铜金属。

容易犯的错误是过分相信观察结果,而忽略了理论模型。没有观察到明显反应,并不一定代表该金属的活性较低;表面状况也可能决定反应能否开始。

问题 5

将金属 X 放入含有金属 Y 离子的溶液中。学生预测会发生置换反应,因为 X 在金属活性序中排在 Y 的上方。

后来,学生发现溶液中还含有一种化学物质,会在 Y 金属生成后立即将其从表面移除。

解释为甚么这会改变观察到的现象,却不会改变基本的置换反应预测。

解答 5

根据金属活性,仍然可以预测置换反应会发生,但实际观察到的结果可能不同,因为新生成的 Y 金属不会留在表面。

基本反应仍然是:

\[ \ce{X(s) + Y^{n+}(aq) -> X^{m+}(aq) + Y(s)} \]

重要的条件是 X 能够将电子转移给 \(\ce{Y^{n+}}\) 离子。移除 Y 金属会改变实验所呈现的现象,但不会改变哪一种金属能够被置换。

学生可能会认为「看不到金属生成,就代表没有反应」。这个结论并不可靠,因为置换步骤完成后发生的事情,也会影响我们观察到的结果。

更深层的教训是:化学方程式描述粒子的变化,而实验则测量这些变化所留下的证据。

11接下来可以学甚么?

掌握金属置换反应的预测方法后,你便可以运用相同的电子转移原理,理解更复杂的氧化还原反应。下一步是学习如何书写及配平氧化还原半反应式,在这些方程式中,电子会被明确列出并追踪,而不是单靠金属活性序推断。

请参阅:氧化还原半反应式:配平 HSC 化学反应