金屬置換反應:HSC 化學變化預測

學習如何運用金屬活性序和電子轉移來預測金屬置換反應。內容包括詳細例題、常見迷思及練習題。

將一條鋅金屬片放入藍色的硫酸銅(II)溶液中。幾分鐘後,藍色逐漸變淡,鋅片表面出現紅棕色的固體。

在學習反應規則之前,先試著預測發生了甚麼事。

銅是否以某種方式從溶液中「移出來」,並變成金屬?為甚麼鋅能讓這件事發生?而如果將銅片放入硫酸鋅溶液中,為甚麼不會發生同樣的事情?

示意圖顯示鋅片置於藍色硫酸銅(II)溶液中,鋅片表面逐漸形成銅鍍層,而溶液的顏色隨時間逐漸變淡。
鋅將銅離子從溶液中置換出來,生成銅金屬,並使硫酸銅(II)溶液的藍色逐漸變淡。

金屬置換反應能解決一個簡單但重要的化學問題:我們如何預測一種金屬能否取代溶液中的另一種金屬?

答案在於了解哪些金屬原子比較容易失去電子。

01核心概念:金屬之間對電子的競爭

想像兩種金屬在溶液中相遇。一種金屬以固體金屬中的原子形式存在;另一種則以溶解在水中的帶正電金屬離子形式存在。

金屬原子可以透過失去電子而變成離子:

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

金屬原子因為失去電子而被氧化。

金屬離子可以透過得到電子而變成固態金屬原子:

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

金屬離子因為得到電子而被還原。

當活性較高的金屬將電子轉移給活性較低的金屬離子時,就會發生置換反應。

例如:

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

鋅原子失去電子:

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

銅離子得到這些電子:

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

鋅之所以能將銅「置換」出溶液,是因為鋅更容易失去電子。

示意圖顯示鋅原子將電子轉移給銅離子,使鋅變成 Zn2+ 離子,而銅離子變成銅金屬。
在置換反應中,鋅會將電子轉移給銅離子,生成鋅離子和固態銅。

02利用金屬活性序預測置換反應

化學家會將金屬按照活性排列成金屬活性序。排列位置越高的金屬,越容易失去電子。

以下是金屬活性序的一個簡化部分:

活性較高活性較低
鉀K
鈉Na
鈣Ca
鎂Mg
鋁Al
鋅Zn
鐵Fe
銅Cu
銀Ag
金Au

判斷規則如下:

一種金屬可以置換出在金屬活性序中排在它下方的金屬離子。

因此:

  • 鋅 + 銅(II)離子 → 發生反應
  • 銅 + 鋅離子 → 不發生反應
  • 鎂 + 鐵(II)離子 → 發生反應
  • 銀 + 銅(II)離子 → 不發生反應

固態金屬的活性必須高於它試圖置換的金屬離子所對應的金屬。

03第一個模型:「樂於給出電子」的概念

一個有用的理解方法,是想像金屬正在參加派對。

有些金屬就像會立即把零食分給別人的朋友;另一些則甚麼都不願意分享。

像鎂這樣活性較高的金屬,很容易交出電子。像銅這樣活性較低的金屬,則沒有那麼容易失去電子。

當鎂遇到銅離子時,鎂會失去電子,而銅離子會接受這些電子。

這個比喻有助於理解電子轉移,因為它呈現了兩者之間的競爭:一種金屬失去電子,另一種金屬離子得到電子。

然而,這個比喻並不完全準確。金屬並不會作出選擇,也不會真的「想要」甚麼。金屬的活性取決於原子結構、能量變化,以及電子被移除的難易程度。

如欲進一步了解為甚麼不同金屬具有不同的活性,請參閱 金屬活性的週期性規律:HSC 化學解析。

04在實驗中會觀察到甚麼?

假設你將一條鎂帶放入硫酸銅(II)溶液中。

繼續閱讀之前,先預測實驗現象:

  • 溶液的顏色會改變嗎?
  • 會有固體生成嗎?
  • 鎂會逐漸消失嗎?

反應如下:

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

鎂在金屬活性序中排在銅的上方,因此反應會發生。

你會觀察到:

  • 藍色的銅(II)離子從溶液中被消耗,因此藍色會逐漸變淡
  • 銅金屬生成,並形成紅棕色的鍍層
  • 隨著鎂離子進入溶液,鎂會逐漸溶解
示意圖顯示鎂帶放入藍色硫酸銅溶液中,鎂帶表面逐漸形成銅鍍層,而溶液的顏色變得較淡。
鎂將銅離子從溶液中置換出來,生成銅金屬,同時鎂溶解並形成鎂離子。

這些實驗現象是電子轉移的證據,但它們本身並不是反應。真正的化學變化是不同物種之間的電子轉移。

05學生經常出錯的地方:金屬離子也很重要

一個常見的錯誤是只看固態金屬。

學生可能會認為:

「鋁是一種活性很高的金屬,所以鋁金屬一定會發生反應。」

並不完全正確。

另一種物質必須能夠接受這些電子。

例如:

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

這個反應可以發生,因為銅離子在金屬活性序中排在鋁的下方。

但是:

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

不會發生反應,因為銅的活性不足以將鋁從其離子中置換出來。

反應方向十分重要。

06正確書寫置換反應

預測反應時,請按照以下步驟進行。

步驟 1:辨認固態金屬

這是你加入溶液中的金屬。

例如:

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

固態金屬是鋅。

步驟 2:找出溶液中的金屬離子

硫酸銅含有:

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

被置換的金屬是銅。

步驟 3:比較兩者在金屬活性序中的位置

鋅排在銅的上方,因此鋅可以置換銅。

步驟 4:寫出生成物

鋅變成離子:

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

銅離子變成金屬:

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

總反應式:

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

07例題:鎂能置換鐵嗎?

將一條鎂帶放入硫酸鐵(II)溶液中。預測反應是否會發生,並寫出配平的化學方程式。

步驟 1

固態金屬是鎂。溶液中的金屬離子是鐵(II)離子,\(\mathrm{Fe}^{2+}\)。

步驟 2

鎂在金屬活性序中排在鐵的上方,因此鎂更容易失去電子。

步驟 3

鎂原子變成鎂離子:

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

鐵離子得到電子:

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

步驟 4

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

反應會發生,因為鎂會將溶液中的鐵置換出來。

可觀察到的現象是鎂逐漸溶解,並有鐵金屬生成。

08例題:預測銀離子參與的反應

將一條銅線放入硝酸銀溶液中。預測生成物,並解釋實驗現象。

步驟 1

固態金屬是銅。溶液中含有銀離子:

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

步驟 2

銅在金屬活性序中排在銀的上方,因此銅可以置換銀離子。

步驟 3

銅失去兩個電子:

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

每個銀離子得到一個電子:

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

因此,需要兩個銀離子:

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

步驟 4

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

反應會發生。

銅線表面會覆蓋銀晶體,而銅離子會進入溶液。由於生成了 \(\mathrm{Cu}^{2+}\) 離子,溶液可能會變成藍色。

09將置換反應與氧化還原反應連結起來

金屬置換反應並不是另一個需要死記的獨立技巧,而是一種氧化還原反應。

其中一種物種被氧化:

\[ \text{失去電子} \]

另一種物種被還原:

\[ \text{得到電子} \]

一個有用的記憶口訣是:

OIL RIG

  • Oxidation Is Loss(氧化是失去電子)
  • Reduction Is Gain(還原是得到電子)

如欲進一步練習置換反應背後的電子轉移概念,請參閱 透過電子轉移理解氧化與還原:HSC 化學。

比較示意圖顯示金屬置換反應中的鋅氧化與銅離子還原,兩者透過電子轉移相互連結。
鋅透過氧化失去電子,而銅離子則透過還原得到電子。

10問題與解答

問題 1

將一塊鋅金屬放入氯化銅(II)溶液中。

預測反應是否會發生,並寫出配平的化學方程式。

解答 1

反應會發生,因為鋅的活性比銅高,因此鋅可以將銅離子從溶液中置換出來。

鋅被氧化:

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

銅離子被還原:

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

配平的化學方程式為:

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

關鍵概念是鋅不會置換氯離子。參與置換反應的是金屬離子。

問題 2

一名學生將銅片放入硫酸鎂溶液中,並預測會生成鎂金屬,理由是銅本身是一種固態金屬。

解釋這個預測是否正確。

解答 2

這個預測不正確,因為銅不能置換鎂離子。

鎂在金屬活性序中排在銅的上方。與銅原子相比,鎂原子更容易失去電子。

若要生成鎂金屬,\(\mathrm{Mg}^{2+}\) 離子就必須得到電子:

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

然而,銅的活性不足以提供這些電子。

因此,不會發生置換反應,銅片也會保持不變。

這道題的陷阱在於,不能假設某種金屬只要是固態,就一定能由其離子生成。電子轉移的方向取決於金屬之間的相對活性。

問題 3

一名學生分別將三種金屬放入不同的溶液中進行測試。

測試加入的金屬溶液
A鐵硫酸銅(II)
B銅硝酸銀
C銀硫酸銅(II)

預測哪些測試會發生反應,並解釋其中的規律。

解答 3

測試 A 和 B 會發生反應,但測試 C 不會。

測試 A:

鐵在金屬活性序中排在銅的上方,因此鐵會失去電子,而銅離子會得到電子。

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

測試 B:

銅排在銀的上方,因此銅會置換銀離子。

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

測試 C:

銀排在銅的下方,因此銀無法從銅離子中取得電子。不會發生反應。

這個規律並不是「金屬會與金屬溶液發生反應」。正確的規則是,只有活性較高的金屬才能置換活性較低的金屬離子。

問題 4

一名學生注意到鋁在金屬活性序中排位很高,但發現將鋁片放入硫酸銅(II)溶液時,有時看起來不會立即發生反應。

解釋這種情況為何會發生,並預測如果鋁的表面暴露出來,會有甚麼結果。

解答 4

反應可能會延遲發生,因為鋁的表面覆蓋著一層薄薄的氧化鋁。

實際上,鋁的活性比銅高,因此預期發生的置換反應為:

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

然而,氧化層會在鋁原子與銅離子之間形成屏障。當表面受到保護時,電子轉移便難以進行。

如果移除氧化層,鋁就可以與溶液反應,並生成銅金屬。

容易犯的錯誤是過分相信觀察結果,而忽略了理論模型。沒有觀察到明顯反應,並不一定代表該金屬的活性較低;表面狀況也可能決定反應能否開始。

問題 5

將金屬 X 放入含有金屬 Y 離子的溶液中。學生預測會發生置換反應,因為 X 在金屬活性序中排在 Y 的上方。

後來,學生發現溶液中還含有一種化學物質,會在 Y 金屬生成後立即將其從表面移除。

解釋為甚麼這會改變觀察到的現象,卻不會改變基本的置換反應預測。

解答 5

根據金屬活性,仍然可以預測置換反應會發生,但實際觀察到的結果可能不同,因為新生成的 Y 金屬不會留在表面。

基本反應仍然是:

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

重要的條件是 X 能夠將電子轉移給 \(\ce{Y^{n+}}\) 離子。移除 Y 金屬會改變實驗所呈現的現象,但不會改變哪一種金屬能夠被置換。

學生可能會認為「看不到金屬生成,就代表沒有反應」。這個結論並不可靠,因為置換步驟完成後發生的事情,也會影響我們觀察到的結果。

更深層的教訓是:化學方程式描述粒子的變化,而實驗則測量這些變化所留下的證據。

11接下來可以學甚麼?

掌握金屬置換反應的預測方法後,你便可以運用相同的電子轉移原理,理解更複雜的氧化還原反應。下一步是學習如何書寫及配平氧化還原半反應式,在這些方程式中,電子會被明確列出並追蹤,而不是單靠金屬活性序推斷。

請參閱:氧化還原半反應式:配平 HSC 化學反應