金屬與稀酸的反應性：HSC 化學指南

兩個完全相同的錐形瓶中裝有相同體積、相同濃度的稀鹽酸。你把鎂放入其中一瓶，把鋅放入另一瓶。兩種金屬的物質的量（摩爾數）相同。

哪一瓶產生氫氣的速率較快？而哪一瓶最終產生的氫氣總量較多？

很容易會直覺地認為兩題的答案都是「鎂」。第一題答對了，第二題則不對。

鎂的反應較快，因為它比鋅更活潑。但如果酸是過量的，等摩爾數的鎂和鋅最終會產生相同物質的量的氫氣。反應速率和產生的氣體總量所反映的是不同的事情。

理解這個差別，是比較金屬與稀酸反應時活潑性的關鍵。

01實際上會觀察到甚麼

把一種活潑金屬放入稀鹽酸中，你可能會看到金屬表面形成氣泡。金屬會逐漸消失，而試管亦可能變暖。

例如：

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

這些氣泡是氫氣，\(\ce{H2}\)。

現在想像在相同條件下，用大小相同的幾種金屬樣本重複進行實驗。

這提供了一種實際方法來比較它們的相對活潑性：

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

這裡的排序表示，在這些金屬之中，鎂最傾向透過氧化而發生反應；銅則位於氫以下，通常不能從稀的非氧化性酸（例如鹽酸）中置換出 \(\mathrm{H}^{+}\)。

這個排序也與金屬在其他情況下的行為有關。作為比較，可參閱 金屬與水的反應性。

02為甚麼會形成氫氣

在使用正式的化學概念之前，先想像一下反應必須發生甚麼。

金屬原子一開始是固體中的中性原子。若要以正離子的形式進入溶液，它必須失去電子。

以鎂為例：

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

這些電子會被酸中的氫離子接受：

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

把兩個半反應式合併：

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

這是一個氧化還原反應。

• 鎂被氧化，因為它失去電子。
• 氫離子被還原，因為它們得到電子。

一個有用的思考方式是：活潑性較高的金屬更願意「交出」電子。

可以想像兩個人都想擺脫一項尷尬的群組聊天責任。鎂非常急於把責任轉交出去，而銅則寧願自己保留。這個類比有助於理解電子轉移的方向，但它也有局限，因為原子不會作出選擇，而實際的反應性取決於能量和電化學因素。

03為甚麼較活潑的金屬通常反應較快

假設把鎂和鋅分別放入完全相同的稀鹽酸樣本中。

在繼續閱讀之前先預測一下：在最初的 20 秒內，哪一種金屬的氫氣體積上升曲線較陡？

鎂。

在其他條件相同時，鎂與 \(\mathrm{H}^{+}\) 的反應比鋅更快。因此，氫氣會以較高的速率產生。

如果把氫氣體積對時間作圖，反應較快的曲線會有較陡的初始斜率。

這裡最重要的字眼是速率。

較活潑的金屬通常會出現：

• 更劇烈的冒泡
• 每單位時間產生較多體積的氫氣
• 氣體體積對時間圖線有較陡的斜率
• 消耗相同物質的量的金屬所需時間較短

只要其他影響反應速率的因素受到控制，就可以利用這些觀察結果來排列相對活潑性。

04反應速率不等於產生的氣體總量

這是最常見的陷阱。

假設 \(0.0100\) mol 的鎂和 \(0.0100\) mol 的鋅都分別與過量鹽酸完全反應。

它們的反應式為：

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

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

在兩個反應式中：

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

因此，每種金屬都會產生：

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

鎂會更快達到這個最終量，但不會得到更大的最終量。

想像兩個人各自把完全相同的水桶裝滿，只是其中一個水龍頭的流速快得多。流速較快的水龍頭會較早把水桶裝滿，但兩個水桶裝滿時所含的水量仍然相同。

只有當最終產物的量由相同的限制量所決定時，這個類比才成立。如果改變金屬的物質的量、化學計量關係，或改變哪一種反應物是限制試劑，最終的氣體體積就可能不同。

05正確比較氣體體積

氣體體積的比較很有用，但前提是你知道哪些變量維持不變。

假設在其他條件相同時，鎂在 20 秒內產生 80 mL 氫氣，而鋅產生 35 mL。這就是很好的證據，顯示鎂的反應較快。

但假設你只是發現其中一個樣本最終產生的氣體比另一個多。你能因此判斷它是較活潑的金屬嗎？

不能。

較大的最終氣體體積可能是由以下因素造成：

• 金屬的摩爾數較多
• 金屬與氫氣之間的化學計量比不同
• 酸的量不同
• 其中一個實驗以酸作為限制試劑
• 反應不完全
• 氣體從裝置中逸出

你需要把反應動力學和化學計量分開考慮：反應動力學關注的是速率，而化學計量決定最終可以形成多少產物。

06如何公平地比較金屬

如果目的是利用反應速率比較相對活潑性，就應該控制其他變量。

一個合理的比較可以使用：

• 每種金屬具有相同摩爾數
• 使用相同的酸
• 相同的酸濃度
• 相同的酸體積
• 酸為過量
• 相近的金屬表面積
• 相同的溫度
• 相同的氣體收集裝置

為甚麼表面積很重要？

粉末狀金屬可以比相同金屬的整塊固體反應得更快，因為有更多金屬表面暴露於酸中。如果粉末狀鋅比鎂帶反應得更快，你不能立即斷定鋅本身比鎂更活潑，因為你同時改變了兩個變量。

酸濃度也有同樣的問題。濃度較高的酸在每單位體積中含有更多可反應粒子，因此提高濃度可以增加碰撞頻率和反應速率。

公平的活潑性比較應只改變金屬的種類，並盡可能使其他因素保持一致。

07使用氣體體積圖

氣體體積圖可以揭示兩種不同的資訊。

斜率告訴你反應速率

在某一段時間內，氫氣產生的平均速率可用以下公式計算：

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

其中 \(\Delta V\) 是氣體體積的變化，而 \(\Delta t\) 是相應的時間變化。

例如，如果氫氣體積由 \(10\) s 時的 \(12\) mL 增加至 \(25\) s 時的 \(42\) mL：

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

圖線越陡，表示氣體產生速率越大。

平台告訴你產物總量

當圖線變成水平時，代表氫氣已不再產生。

平台的高度表示最終收集到的氣體體積。

因此，兩種金屬的曲線可以出現：

• 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

如果只看圖上的一個特徵，就無法正確解讀結果。

08為甚麼銅的表現不同

如果把銅放入稀鹽酸中，會發生甚麼？

學生可能會推理，既然鹽酸含有 \(\mathrm{H}^{+}\)，所有金屬都應該釋放氫氣。但銅通常不會與稀鹽酸反應而產生氫氣。

要使以下反應

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

在這些條件下自發發生，銅必須在自身被氧化的同時，還原氫離子。

在通常的金屬活潑性序列中，銅位於氫以下。它的活潑性不足以從稀的非氧化性酸中置換出氫。

因此，預期不會出現持續的氫氣冒泡。

這也說明為甚麼「金屬 + 酸一定產生氫氣」並不是一條可靠的規則。只有當金屬具有足夠的活潑性，而且酸按預期方式反應時，這條規則才適用。

09關於「酸」這個詞的一項注意事項

在 HSC 程度中，利用氫氣產生來比較金屬活潑性時，通常使用稀的非氧化性酸，例如鹽酸或足夠稀的硫酸。

不要把這條簡單規則盲目套用到所有酸。

例如，硝酸是一種氧化性酸，在許多條件下可以產生氮氧化物，而不是氫氣。它的反應需要另行考慮。

因此，實用的規則並不只是：

金屬 + 酸 = 鹽 + 氫氣

更好的說法是：

在活潑性序列中位於氫以上的金屬，通常可以還原稀的非氧化性酸中的 \(\mathrm{H}^{+}\)，產生氫氣。

10要記住的判斷原則

比較金屬與稀酸的反應時，要分開問兩個問題。

只有當實驗條件允許公平比較時，較快的反應才是較高相對活潑性的證據。

單憑較大的最終氣體體積並不能作出這個判斷。

11問題與解答

問題 1

把相同摩爾數的鎂和鋅分別加入過量稀鹽酸中，所有實驗條件均相同。

指出哪種金屬預期會較快產生氫氣，並比較兩者最終產生的氫氣物質的量。

解答 1

鎂應該較快產生氫氣，但兩種金屬最終應產生相同摩爾數的氫氣。

鎂比鋅更活潑，因此在可比較的條件下，它與氫離子的反應較快。

兩種金屬都按照相同的相關化學計量比反應：

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

其中 \(\ce{M}\) 代表鎂或鋅。

每一摩爾任一種金屬都產生一摩爾 \(\ce{H2}\)。由於使用的是相同摩爾數的金屬，而且酸過量，因此最終氫氣的物質的量相同。

陷阱在於假設較高的活潑性會自動表示產物總量較多。在這裡，活潑性所解釋的是較快的反應速率，而不是較大的化學計量產率。

問題 2

一份 \(0.243\) g 的鎂樣本與過量稀鹽酸完全反應。

計算所產生氫氣的物質的量，以及在實驗條件下摩爾氣體體積為 \(24.8\text{ L mol}^{-1}\) 時的氣體體積。

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

解答 2

反應產生 \(0.0100\) mol 氫氣，相當於 \(0.248\) L，即 \(248\) mL。

配平後的化學方程式為：

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

首先計算鎂的物質的量：

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

\(\ce{Mg}\) 與 \(\ce{H2}\) 的摩爾比為 \(1:1\)，因此：

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

現在使用 \(V=nV_m\)：

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

因此：

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

如果鎂完全反應，而且收集氫氣時沒有顯著損失，這就是預期的最終體積。

問題 3

兩名學生利用稀鹽酸比較鋅和鐵。

鋅以細小顆粒形式提供，而鐵則是一條大型金屬條。鋅產生氫氣的速率較快。

學生能否單憑這個實驗斷定鋅比鐵更活潑？請解釋。

解答 3

不能。這個結果與鋅比鐵更活潑的情況一致，但實驗並沒有把金屬種類隔離為造成較快反應的唯一原因。

鋅顆粒暴露於酸中的總表面積可能比鐵條更大。較大的表面積可以提高反應速率，因為在金屬與酸的界面上有更多金屬粒子可參與反應。

因此，可能有兩個變量共同影響測得的速率：

• 金屬的種類
• 暴露的表面積

要有效比較相對活潑性，就應盡可能使表面積、酸濃度、酸體積、溫度和其他相關條件保持一致。

容易犯的錯誤，是把任何觀察到的速率差異都視為金屬本身活潑性不同的證明。只有在其他可能的解釋受到控制時，反應速率才是有用的證據。

問題 4

金屬 X 和金屬 Y 與稀鹽酸反應時都形成 \(2+\) 離子。

取相同摩爾數的 X 和 Y，在相同條件下分別與過量酸反應。所得氫氣體積數據如下：

比較 X 和 Y 的相對活潑性，並解釋為甚麼最終氣體體積提供的資訊與曲線初段不同。

解答 4

在這些條件下，金屬 X 比金屬 Y 更活潑，而相同的最終氣體體積表示兩者最終產生了相同摩爾數的氫氣。

在最初的 \(20\) s 內，X 的平均速率為：

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

對 Y 而言：

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

因此，在這個初始時間區間內，X 產生氫氣的速率超過 Y 的兩倍。由於兩個實驗使用相同摩爾數的金屬，而且條件相同，這個較快的速率就是 X 較活潑的證據。

兩個反應最終都產生 \(100\) mL 氫氣。由於兩種金屬都形成 \(2+\) 離子，它們的反應形式為：

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

因此，當酸過量時，相同摩爾數的 X 和 Y 會產生相同摩爾數的氫氣。

平台高度告訴我們形成了多少產物。斜率告訴我們產物形成的速率。在這個實驗中，只有速率差異能區分它們的相對活潑性。

問題 5

一名學生想按照活潑性排列金屬 P 和 Q。

在實驗 1 中，\(0.50\) g 的 P 與過量稀鹽酸反應，最終產生 \(210\) mL 氫氣。

在實驗 2 中，\(0.50\) g 的 Q 與過量稀鹽酸反應，最終產生 \(150\) mL 氫氣。

學生得出結論：

「金屬 P 更活潑，因為它產生了更多氫氣。」

評價這個結論。假設兩種金屬都完全反應，而且各自形成 \(2+\) 離子。

解答 5

這個結論沒有充分根據。不同的最終氫氣體積本身並不能證明 P 比 Q 更活潑。

對任一金屬：

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

因此，一摩爾金屬會產生一摩爾氫氣。

然而，這些實驗使用的是相同質量，而不是相同摩爾數。

樣本中的摩爾數為：

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

其中 \(M\) 是金屬的摩爾質量。

如果 P 的摩爾質量低於 Q，那麼 \(0.50\) g 的 P 就含有更多摩爾的金屬。因此，即使 P 並不是較活潑的金屬，它仍然可能產生更多摩爾的氫氣。

要比較相對活潑性，學生應在受控制的條件下使用反應速率的證據，例如比較相同摩爾數、表面積相近的兩種金屬在反應初期產生氫氣的速率。

學生這個說法中隱藏的假設，是相同質量代表相同數目的反應粒子。實際上並不是。

問題 6

三種金屬 R、S 和 T 分別用相同的稀鹽酸測試。

• R 產生快速的氫氣冒泡。
• S 產生緩慢的氫氣冒泡。
• T 沒有產生可檢測到的氫氣。
• 後來，一名學生把 S 研磨成細粉，發現粉末狀 S 在反應初期產生氫氣的速率比一大塊 R 更快。

另一名學生因此得出結論，認為 S 一定比 R 更活潑。

評估這些證據，並給出可以合理支持的最有力活潑性結論。

解答 6

原來受控制的觀察支持 R 比 S 更活潑，而在測試條件下，T 是三者中還原氫離子能力最弱的。粉末狀 S 的結果並不能推翻 R 與 S 的比較，因為表面積已經改變。

在原來的比較中，假設實驗條件和暴露的金屬表面均受到適當控制，R 產生氫氣的速率比 S 更快。與相同稀酸反應較快，是相對活潑性較高的證據：

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

T 沒有產生可檢測到的氫氣。這表示在這些條件下，T 不容易從稀鹽酸中置換出氫。它可能位於相關活潑性排序中氫的下方，但「沒有可檢測到的反應」應被視為一項實驗觀察，而不是絕對沒有任何反應發生的證明。

第二個實驗改變了表面積。把 S 研磨成粉末，會使更多金屬粒子暴露於酸中。因此，即使該元素本身的相對活潑性沒有改變，它的反應仍可以變得更快。

所以，以下觀察：

\[
\text{粉末狀 S 的反應比一大塊 R 更快}
\]

並不能支持：

\[
\ce{S > R}
\]

因為反應速率同時受到金屬種類和表面積影響。

這就是為甚麼金屬-酸實驗在清楚區分兩個概念後會更有用：活潑性決定金屬進行氧化還原反應的傾向，而實驗條件則決定這種傾向表現得有多快。這個區分可以直接銜接到碰撞理論、活化能，以及更定量地比較氧化還原行為的方法。