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摘要：钛是一种新金属，由于它具有一系列优异特性，被广泛用于航空、航天等工业生产中，它被誉为“21世纪的金属”。在一次初中化学课上，以钛为主题的教学中，学生设计了几组研究钛的金属活动性的实验，通过实验发现了理想与现实的差距，在解决问题中，他们学会了像化学家那样研究问题。
关键词：实验探究;钛的活动性;金属活动性顺序;适用范围;特例
文章编号：1008-0546（2018）12-0018-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.12.006
一、问题的提出
金属活动性是指金属原子失去电子的难易程度。1864年，俄罗斯化学家贝开托夫在研究了金属与金属离子间的置换反应和金属单质与水和酸反应的剧烈程度的基础上，得出一个相对完整的金属活动顺序表。随着化学理论的发展，由定性走向定量，用金属的电极电势来定量地表示其在溶液中还原能力的大小，它是相对于标准氢电极的电极电势，即标准电极电势。标准电极电势越小，该金属的还原性越强。金属活动性是反映一个金属单质在水溶液中失去电子，形成水合离子的一种能力大小，也就是其在水溶液中被氧化的难易程度。因此初中化学中，金属能否与酸反应、一种金属与其它金属的盐溶液能否发生置换反应是判断金属活动性两种常用方法。
金属钛的活动性如何？它在金属活动顺序表中的位置如何？在一次化学专题复习课中，老师提出一个问题，如何确定镁、钛、铜的金属活动性？学生根据已有的经验，老师提供的药品，查阅的钛在金属活动顺序表中的位置，设计如下三种方案：①Mg、Ti、Cu、硫酸溶液;②Mg、TiCl3溶液、Cu;③MgSO4溶液、Ti、CuSO4溶液。在接下来的实验过程中，真的能如同学们想得那样吗？
二、探究中验证
同学们根据方案①，设计了如下表1和图1中的实验。
首先针对方案①，学生们去查阅资料发现，常温下，钛与7%以下的盐酸、5%以下的硫酸、硝酸、王水均不反应。只有氢氟酸、浓盐酸、浓硫酸才能反应。于是，考虑到盐酸的挥发性，最终同学们用40%的硫酸溶液（相同体积）与大小形态相同的Mg、Ti、Cu片反应，顺利完成了实验。当然，根据镁与钛与硫酸反应的剧烈程度得出它们的活动性并不很科学。
方案②，同学们设计了如表2和图2的实验。
实验1中产生气体，同学们猜想，可能是氢气或氯气，后来查阅资料得出，氯气是黄绿色、有刺激性气味的气体。闻气味，无味，用拇指堵住试管口，靠近酒精灯的火焰，松开拇指，听到尖锐的爆鸣声，说明产生的气体是氢气。同学们思考后得出溶液呈酸性。进一步查阅资料：TiCl3 3H2O=Ti（OH）3 3HCl，由于鹽类的水解反应，导致某些盐呈酸性。黑色固体的成分是什么？学生猜想可能是钛或镁颗粒或是两者的混合物，查阅资料可知，钛与7%以下的盐酸不反应，将固体放入5%的稀盐酸中，固体完全消失，证明固体中不含钛。所以黑色固体可能是镁。三价钛离子具有很强的还原性，在此实验条件下，易被氧化成TiO2 离子，可以在pH<1的条件下，加入H2O2溶液，溶液呈现橙色。
由于镁与三氯化钛溶液的反应体系很复杂，存在多个反应，方案②不适于比较此三种金属的活动性。
于是某同学联想到沪教版下册化学第九章Cu-Zn原电池，可以证明锌的活动性比铜强，设计了如下图3所示的实验装置，实验后发现Ti极上有红色的物质析出，电流表向右偏转。老师很快就否定了他们的答案，因为负极上镁原子失去电子，形成镁离子，正极上，铜离子得到电子形成铜单质，这个实验只能说明镁的金属活动性大于铜。有同学将镁条换成了铜棒，并没有发现期望的铜极上有红色的固体析出。由于钛表面上的钝化膜很稳定，决定了它在做电极材料时，很难失去电子。
接着，同学们开始方案③的验证实验，如图4，表3所示。
同学们根据实验方案②，解释了由于钛表面的氧化膜，所以它不能置换出硫酸铜溶液中的铜。方案③也不能来验证这三种金属的活动性。
三、理论追踪
镁、钛、铜的标准电极电势如下表4。
标准电极电势是可逆电极在标准状态及平衡态时的电势，也是标准态时的电极电势。指的是当温度为25℃，金属离子的有效浓度为1mol/L（即活度为1）时测得的平衡电位。标准电极电势有很强的实用价值，可用来判断氧化剂与还原剂的相对强弱，判断氧化还原反应的进行方向，计算原电池的电动势、反应自由能、平衡常数，计算其它半反应的标准电极电势等。在表4中，镁、钛、铜的还原态的还原能力逐渐减弱。
四、总结反思
1.根据教材总结。
沪教版九年级化学下册，P42页中的表述：“金属单质与酸溶液能否反应，发生反应的剧烈程度，可说明金属的活动性的强弱”，从而总结出常见金属的活动性顺序。人教版九年级化学第八单元则是金属是否与酸反应，而没有说反应的剧烈程度说明金属的活动性。可以说，利用金属与水反应或与酸反应的剧烈程度来判断金属的活动性是不严谨的，例如：Ca和Na与水反应就是特例。反应速度是动力学角度，反应可能性、反应方向、趋势则是热力学角度。建议沪教版化学教材要做出相应的调整。
2.金属活动性顺序表在初中化学中的应用。
（1）判断金属能否与酸反应。排在H前面的金属，能与稀盐酸或稀硫酸反应置换出酸（非氧化性酸）中的氢。浓硫酸与硝酸与金属发生的反应则不属于这类。
（2）除非常活泼的金属（K、Ca、Na）外，排在前面的一般可以将位于其后面的金属从它们的盐溶液中置换出来。注意，有些金属活动性强的金属（K、Ca、Na、Mg）与易水解的金属阳离子溶液的反应不适用。例如：2H2O Mg CuCl2=Cu（OH）2 MgCl2 H2↑
（3）判断原电池的正负极。两种不同的金属（K、Ca、Na除外）在电解质溶液中构成原电池时，活动性强的金属为负极，活动性弱的金属为正极。
3.判断金属活动性的一般方法
（1）根据能否与酸反应，若金属甲能与酸反应放出氢气，乙不能，则甲的金属活动性大于乙。
（2）利用金属甲与金属乙的盐溶液能否发生置换反应。若金属甲能将乙从它的盐溶液中置换出来，则甲的金属活动性大于乙。
（3）利用不同金属与稀盐酸或硫酸反应时温度的不同。温度变化越大，金属的活动性越强。
（4）利用原电池的正负极来比较。当两种金属在电解性溶液中构成原电池时，负极的金属的活动性一般强于正极金属的活动性。注意，Mg、Al、NaOH溶液构成的原电池的正负极随时间会改变。
4.特殊情况。
在非水溶液中，不适用运用金属活动性来判断反应的方向。例如工业上常用镁在800℃时，在Ar做保护气时，从TiCl4中置换出金属Ti，并不能说镁的活动性比钛强。
参考文献
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关键词：实验探究;钛的活动性;金属活动性顺序;适用范围;特例
文章编号：1008-0546（2018）12-0018-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.12.006
一、问题的提出
金属活动性是指金属原子失去电子的难易程度。1864年，俄罗斯化学家贝开托夫在研究了金属与金属离子间的置换反应和金属单质与水和酸反应的剧烈程度的基础上，得出一个相对完整的金属活动顺序表。随着化学理论的发展，由定性走向定量，用金属的电极电势来定量地表示其在溶液中还原能力的大小，它是相对于标准氢电极的电极电势，即标准电极电势。标准电极电势越小，该金属的还原性越强。金属活动性是反映一个金属单质在水溶液中失去电子，形成水合离子的一种能力大小，也就是其在水溶液中被氧化的难易程度。因此初中化学中，金属能否与酸反应、一种金属与其它金属的盐溶液能否发生置换反应是判断金属活动性两种常用方法。
金属钛的活动性如何？它在金属活动顺序表中的位置如何？在一次化学专题复习课中，老师提出一个问题，如何确定镁、钛、铜的金属活动性？学生根据已有的经验，老师提供的药品，查阅的钛在金属活动顺序表中的位置，设计如下三种方案：①Mg、Ti、Cu、硫酸溶液;②Mg、TiCl3溶液、Cu;③MgSO4溶液、Ti、CuSO4溶液。在接下来的实验过程中，真的能如同学们想得那样吗？
二、探究中验证
同学们根据方案①，设计了如下表1和图1中的实验。
首先针对方案①，学生们去查阅资料发现，常温下，钛与7%以下的盐酸、5%以下的硫酸、硝酸、王水均不反应。只有氢氟酸、浓盐酸、浓硫酸才能反应。于是，考虑到盐酸的挥发性，最终同学们用40%的硫酸溶液（相同体积）与大小形态相同的Mg、Ti、Cu片反应，顺利完成了实验。当然，根据镁与钛与硫酸反应的剧烈程度得出它们的活动性并不很科学。
方案②，同学们设计了如表2和图2的实验。
实验1中产生气体，同学们猜想，可能是氢气或氯气，后来查阅资料得出，氯气是黄绿色、有刺激性气味的气体。闻气味，无味，用拇指堵住试管口，靠近酒精灯的火焰，松开拇指，听到尖锐的爆鸣声，说明产生的气体是氢气。同学们思考后得出溶液呈酸性。进一步查阅资料：TiCl3 3H2O=Ti（OH）3 3HCl，由于鹽类的水解反应，导致某些盐呈酸性。黑色固体的成分是什么？学生猜想可能是钛或镁颗粒或是两者的混合物，查阅资料可知，钛与7%以下的盐酸不反应，将固体放入5%的稀盐酸中，固体完全消失，证明固体中不含钛。所以黑色固体可能是镁。三价钛离子具有很强的还原性，在此实验条件下，易被氧化成TiO2 离子，可以在pH<1的条件下，加入H2O2溶液，溶液呈现橙色。
由于镁与三氯化钛溶液的反应体系很复杂，存在多个反应，方案②不适于比较此三种金属的活动性。
于是某同学联想到沪教版下册化学第九章Cu-Zn原电池，可以证明锌的活动性比铜强，设计了如下图3所示的实验装置，实验后发现Ti极上有红色的物质析出，电流表向右偏转。老师很快就否定了他们的答案，因为负极上镁原子失去电子，形成镁离子，正极上，铜离子得到电子形成铜单质，这个实验只能说明镁的金属活动性大于铜。有同学将镁条换成了铜棒，并没有发现期望的铜极上有红色的固体析出。由于钛表面上的钝化膜很稳定，决定了它在做电极材料时，很难失去电子。
接着，同学们开始方案③的验证实验，如图4，表3所示。
同学们根据实验方案②，解释了由于钛表面的氧化膜，所以它不能置换出硫酸铜溶液中的铜。方案③也不能来验证这三种金属的活动性。
三、理论追踪
镁、钛、铜的标准电极电势如下表4。
标准电极电势是可逆电极在标准状态及平衡态时的电势，也是标准态时的电极电势。指的是当温度为25℃，金属离子的有效浓度为1mol/L（即活度为1）时测得的平衡电位。标准电极电势有很强的实用价值，可用来判断氧化剂与还原剂的相对强弱，判断氧化还原反应的进行方向，计算原电池的电动势、反应自由能、平衡常数，计算其它半反应的标准电极电势等。在表4中，镁、钛、铜的还原态的还原能力逐渐减弱。
四、总结反思
1.根据教材总结。
沪教版九年级化学下册，P42页中的表述：“金属单质与酸溶液能否反应，发生反应的剧烈程度，可说明金属的活动性的强弱”，从而总结出常见金属的活动性顺序。人教版九年级化学第八单元则是金属是否与酸反应，而没有说反应的剧烈程度说明金属的活动性。可以说，利用金属与水反应或与酸反应的剧烈程度来判断金属的活动性是不严谨的，例如：Ca和Na与水反应就是特例。反应速度是动力学角度，反应可能性、反应方向、趋势则是热力学角度。建议沪教版化学教材要做出相应的调整。
2.金属活动性顺序表在初中化学中的应用。
（1）判断金属能否与酸反应。排在H前面的金属，能与稀盐酸或稀硫酸反应置换出酸（非氧化性酸）中的氢。浓硫酸与硝酸与金属发生的反应则不属于这类。
（2）除非常活泼的金属（K、Ca、Na）外，排在前面的一般可以将位于其后面的金属从它们的盐溶液中置换出来。注意，有些金属活动性强的金属（K、Ca、Na、Mg）与易水解的金属阳离子溶液的反应不适用。例如：2H2O Mg CuCl2=Cu（OH）2 MgCl2 H2↑
（3）判断原电池的正负极。两种不同的金属（K、Ca、Na除外）在电解质溶液中构成原电池时，活动性强的金属为负极，活动性弱的金属为正极。
3.判断金属活动性的一般方法
（1）根据能否与酸反应，若金属甲能与酸反应放出氢气，乙不能，则甲的金属活动性大于乙。
（2）利用金属甲与金属乙的盐溶液能否发生置换反应。若金属甲能将乙从它的盐溶液中置换出来，则甲的金属活动性大于乙。
（3）利用不同金属与稀盐酸或硫酸反应时温度的不同。温度变化越大，金属的活动性越强。
（4）利用原电池的正负极来比较。当两种金属在电解性溶液中构成原电池时，负极的金属的活动性一般强于正极金属的活动性。注意，Mg、Al、NaOH溶液构成的原电池的正负极随时间会改变。
4.特殊情况。
在非水溶液中，不适用运用金属活动性来判断反应的方向。例如工业上常用镁在800℃时，在Ar做保护气时，从TiCl4中置换出金属Ti，并不能说镁的活动性比钛强。
参考文献
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