初中化学在溶液中进行的置换反应有两种:
金属 酸→盐 氢气
金属 盐→盐 金属
[知识准备]要把握好这一类反应,你需要熟练掌握金属活动性顺序
金属活动性顺序:K Ca Na Mg A1 Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au
从左至右,金属活动性由强逐渐减弱。金属的位置越靠前,其活动性越强。
【反应条件】掌握这一类反应发生所需的具体条件,根据条件判断反应是否能发生。
1.对反应物金属:总的原则是:金属要置换酸或盐中哪种元素,其活动 性就要位于哪种元素前面。
例如当金属与酸发生置换反应时,单质金属的活动性排在氢元素的前面, 反应可发生;当与盐发生置换反应时,单质金属的活动性排在盐中金属元素前面,反应可发生。
注意:活动性最强的钾、钙、钠金属,由于在酸、盐溶液中反应复杂, 通常不用这几种金属单质作反应物。
2.对反应物酸:不用浓硫酸和各种浓度的硝酸,由于它们有较强氧化性, 反应不按照此规律进行(高中阶段会学习这些反应);
浓盐酸因为有较强挥发性,会使制得的氢气中混有较多氯化氢气体而不纯,故不宜用。
3.对反应物盐:一般用盐的溶液,即选择可溶性盐并在盐的溶液中,反应易进行。如铁放入硫酸铜晶体中不发生反应,而铁在硫酸铜溶液中可置换出铁。
【能力拓展】除了判断这一类反应能否发生,我们常利用这一类反应进行金属活动性的实验探究。
—、定性实验
1.不同的金属(表面积相同)与足量酸(溶质质量分数相同)进行置换反应时,怎样判断金属活动性的强弱?
方法一:根据金属与酸反应时产生气泡的速率快慢判断;
方法二:根据收集等体积气体所用的时间长短来判断(用排水法收集)
方法三:根据相同时间内收集到气体的体积多少来判断(用排水法收集)。
2.如何利用金属与盐溶液反应,设计简单实验证明金属的活动性强弱 (顺序)?
如探究三种金属Cu、Zn、Ag的活动性强弱:可采用“首尾呼应”(首尾物质类型相同)的设计方法。
先按照实际的活动性强弱将金属排序为Zn、Cu、Ag;
方法一:头尾金属用其盐溶液,中间用金属单质,分别进行两个实验:Cu放入ZnS04(或ZnCl2)溶液;Cu放入AgN03溶液,根据实验现象即可说明;
方法二:头尾用金属单质,中间金属用其盐溶液,分别进行两个实验:Zn放入CuS04(或CuCl2)溶液;Ag放入CuS04溶液,根据实验现象即可说明。
3.金属与混合盐溶液反应时,客观上金属会先与活动性更弱的金属盐溶液置换,若反应后单质金属有剩余,再继续与活动性稍强的金属盐溶液置换。
如将一定量的锌粉放入硝酸铜和硝酸银的混合溶液中,锌先与硝酸银溶液反应置换出银,若硝酸银反应完,锌还有剩余,锌再继续与硝酸铜溶液反应而置换出铜。可归纳为:单质金属与盐中金属元素活动性差距越大,反应越先发生。
同理:金属混合物与盐溶液置换时也符合此规律。如锌、铁混合物放入足量硫酸铜溶液中,锌先与硫酸铜溶液反应,待锌反应完后,铁再与硫酸铜溶液反应。
二、定量实验
1.不同金属与酸反应,产生氢气的质量大小顺序?
①等质量的铝、锌、镁、铁与足量的酸充分反应,产生氢气的质量由大到小顺序为:铝 >镁>铁>锌。计算方法如下:
方法一:根据四个化学方程式,分别设四种金属质量都为1 (或100、或m等),计算lg的金属完全反应,产生多少氢气,根据计算结果得出比较结论(此计算方法繁琐但易理解);
方法二:根据分析得出规律:放出氢气质量与下述比值成正比:
化合价/金属相对原子质量(理解分析后记规律)。若金属在化合物中化合价一样,比如锌、镁、铁(在生成物中都为 2价,化合价相同),则氢气质量大小直接与相对原子质量成反比,故得出产生氢气质量大小顺 序是:镁>铁>锌;而铝在化合物中呈 3价,它就要用:化合价/金属相对原子质量的比值与其他金属衡量,结果比值比镁大,故得出:产生氢气的质量由大到小顺序为:铝>镁>铁>锌(此计算方法简单但难理解)。 ②足量的铝、锌、镁、铁与等质量等质量分数的酸充分反应,产生氢气的质量相等。推理方法:
按照质量守恒定律,产生的氢气质量等于酸中氢元素质量,现在四个反应所用的酸完全相同且完全反应,四个反应的酸中氢元素质量相同,故产生氢气质量相同。
2.金属与酸反应、金属与盐溶液反应时,溶液质量怎么变化?
①各种金属与酸反应,溶液质量都变大
因为金属置换了酸中的氢元素,进入溶液中的金属元素质量一定大于所替换的氢元素的质量(氢元素变成氢气逸出)。
如: FeH2S04 =FeS04 H2↑
溶液中溶质质量变化标准是:2 < 56
(只需比较横线的元素质量大小,下同)
结论:反应后溶液质量变大
②金属与盐溶液反应,溶液质量变化视单质金属与盐中金属元素的质量大小而定
如: ZnCuS04 =ZnS04 Cu
溶液中溶质质量变化标准是: 64 < 65
结论:反应后溶液质量变大 如: Cu2AgN03 =Cu(NO3)2 2Ag
溶液中溶质质量变化标准: 2×108 > 64
结论:反应后溶液质量变小