有关金属置换反应几个特殊问题释疑

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  中学化学中,有关金属的置换反应问题很多,也非常值得研究。由于有些问题具有其特殊性,不能用金属置换反应的一般规律进行理解,现就有关金属置换反应的特殊问题作一简单探讨。
  问题一 镁、铝等活泼金属与pH相同的盐酸和硫酸反应时,反应速率相同吗?
  从理论上分析,选取形态与质量相近的镁、铝在相同条件下分别跟酸度相当的盐酸和硫酸反应时,反应现象应该没有明显的差别,但事实上表现为反应速率上的惊人差异,镁、铝在盐酸中反应非常快,而在硫酸中反应相当缓慢。
  释疑 既然酸度(或pH值)相同,为什么镁、铝在盐酸和硫酸中的反应速率相差那么大呢?这里可能原因只能解释为:由于Mg2+、Al3+具有较高的离子电荷和较小的离子半径,因此,它们非常容易与Cl-形成配合离子MgCl64-和AlCl63-。当镁、铝与H+发生反应后,金属周围生成的Mg2+、Al3+就会对H+产生排斥作用,结果导致了H+难以继续与金属反应,但是在盐酸溶液中,由于生成的Mg2+、Al3+及时地形成了MgCl64-和AlCl63-,并呈现负电荷,促进了H+向金属表面的迁移,加快了与镁、铝的进一步反应。
  问题二 钠与水反应,包裹的材料不同,反应速率相同吗?
  金属钠与水反应,现象非常剧烈,为了控制反应速率并收集反应生成的氢气,通常先将钠用带孔的塑料布包裹或带孔的铝箔包裹,再与水反应。但实验中发现,用塑料布包裹的钠和用铝箔包裹的钠与水反应,反应速率明显不同,用铝箔包裹的钠与水反应要快得多。
  释疑 用铝箔包裹的钠块与水反应之所以快一些,主要原因有两个:一是钠与铝构成了原电池,水中的H+可以直接从铝箔上获得电子而产生氢气,在整个铝箔上都可以见到有气泡产生,这是铝箔包裹的钠块与水反应速率较大的最主要原因;二是铝可以在碱性溶液中与水反应产生氢气,汇入到钠与水反应的氢气流中,因而用铝箔包裹的钠块与水反应所产生的氢气量相对较多。而用塑料布包裹的金属钠块只能与透过小孔进入的水反应,小孔越小,用金属箔包裹与用塑料布包裹的钠与水反应相比较,反应速率相差越明显。因此,在相同条件下,用于包裹钠块的材料不同,钠与水反应的速率也有所不同,用金属材料包裹的钠块比用其他非导电性材料包裹的钠块与水反应要快一些。
  问题三 钠与酸溶液反应时,钠是先与水反应还是直接与酸反应?
  关于钠与酸溶液反应的过程问题,有两种截然不同的观点:一种观点认为钠与酸溶液的反应,仍然是钠先与水反应,生成的氢氧化钠再接着与酸发生中和反应;另一种观点认为钠与酸溶液反应,钠直接与H+反应,由于酸溶液中的H+浓度比水中H+浓度大,因而,钠与酸溶液反应要比钠与水反应剧烈。
  释疑 从实验结果来看,钠与盐酸、硫酸的反应要比钠与水的反应剧烈,由此说明“钠与酸反应,也是钠先与水反应”的观点并不成立。因此,钠在与酸溶液反应时,首先发生的是钠与H+的反应。
  问题四 钠、镁、铝与硫酸铜溶液的作用,反应现象相同吗?
  在钠与硫酸铜等盐溶液的反应问题上,人们都有比较一致的观点,就是钠先与水反应,而对于镁、铝与以硫酸铜为代表的盐溶液反应,具体的反应历程如何,人们有着不同的认识。多数人都认为镁与硫酸铜溶液的反应实质是镁与硫酸铜的水解产物发生反应,有氢气放出,并随着溶液中酸度下降有蓝色沉淀产生,同时认为铝与硫酸铜溶液的反应是铝直接与盐溶液发生反应,置换出不活泼金属铜。
  释疑 钠在与硫酸铜溶液反应时,钠先与水反应,生成的氢氧化钠再与硫酸铜发生反应,生成氢气和蓝色的氢氧化铜絮状沉淀。镁条、铝箔加入到硫酸铜溶液中,随着氢气的生成,同时有少量的红色铜和蓝色的氢氧化铜生成,由于蓝色与红色相互作用,又是透过蓝色的溶液观察,因而开始观察到固体的颜色为黑色,随着镁条与铝箔表面上的氢氧化铜逐渐增多,化学反应会逐渐停止。因此,镁、铝等活泼金属与硫酸铜溶液的反应,存在着三个平行反应的发生:第一是镁、铝与溶液中硫酸铜的水解产物H+反应,第二是镁、铝与硫酸铜之间的置换反应,第三是随着氢离子浓度降低而发生的铜离子水解反应。开始阶段,最为明显的是镁、铝与硫酸溶液中H+的反应,最后阶段最主要发生的是铜离子的水解反应。
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