金属从盐溶液中的置换

金属从盐溶液中的置换，是在一支试管里就能清楚看到氧化还原反应发生的最直接方式之一。它排在中五氧化还原平衡一章的前段，因为它把金属的活泼性和电子转移的观念连在一起，而同样的推理稍后会在伏打电池与腐蚀里再次出现。

请按下面的方法操作，再用试卷三部分来练习评分方案所看重的准确答案。

目的

探究较具电正性（较活泼）的金属如何把另一金属从其盐溶液中置换出来，并从电子转移的角度，也就是作为氧化还原反应，来解释这个变化。

仪器与材料

• 试管与试管架
• 量筒（量取盐溶液）
• 药匙与镊子
• 砂纸（清洁金属表面）
• 锌、铁、铜与镁的金属片
• 硫酸铜、硫酸铁(II)、硫酸锌与硫酸镁溶液（浓度全部相同）
• 安全护目镜与手套

步骤

1. 用砂纸把一片锌打磨到表面发亮，以除去氧化层。
2. 用量筒把约 5 cm³ 硫酸铜溶液倒入一支干净的试管中。
3. 记录反应前溶液的颜色与锌片的外观。
4. 用镊子把已清洁的锌片放入硫酸铜溶液中，使它完全浸没。
5. 把试管静置在试管架上约 20 至 30 分钟，不要搅动。
6. 观察金属片表面的任何变化，以及溶液颜色的任何变化。
7. 换用其他组合重复步骤 1 至 6，例如铜片放入硫酸锌溶液、铁片放入硫酸铜溶液、镁片放入硫酸铁(II)溶液，每次都用一支干净的新试管。
8. 把每一项观察记录在结果表中，将每种金属与每种盐溶液配对。

预期观察

• 当锌放入硫酸铜溶液时，锌片上沉积出红棕色固体，溶液的蓝色逐渐变淡。试管可能摸起来微温。
• 当镁放入活泼性较低金属的盐溶液时，镁上同样沉积出固体，反应通常更剧烈。
• 当铜放入硫酸锌溶液时，看不到任何变化：没有沉积物，无色的溶液保持原样。

请描述你所「看见」的现象，沉积物出现、颜色变淡、微热，而不是引用编造的数值，因为试卷三看重的是准确的定性观察。

推断与结论

较具电正性的金属会把较不具电正性的金属从其盐溶液中置换出来。当锌置换铜时，锌原子失去电子被氧化成锌离子，而铜(II)离子获得这些电子被还原成铜原子，表现为棕色沉积物。

因为氧化与还原同时发生，这个变化就是氧化还原反应。当看不到变化时，铜放入硫酸锌，加入的金属比盐中原有的金属更不具电正性，所以无法把它置换出来。

按照谁置换谁来排列金属，就重现了电化学序（活泼性序）：镁在锌之上，锌在铁之上，铁在铜之上。

科学过程技能（试卷三风格）

• 假设。 合适的假设是：「在电化学序中位置较高的金属，会把序中位置较低的金属从其盐溶液中置换出来。」要陈述一个可检验的关系，而不只是一个事实。
• 变量。 操纵变量是加入金属的种类（它在活泼性序中的位置）；反应变量是是否发生置换，依据沉积物的形成与溶液颜色的变淡来判断；固定变量是盐溶液的浓度与体积、温度、金属的表面积与反应时间。
• 列表记录数据。 建一个表，列出金属、盐溶液、观察与推断。整齐的表格让你一眼就能比较各对组合。
• 作出推断。 从锌在硫酸铜中形成棕色沉积物，推断锌比铜更具电正性，并已把它置换出来。
• 操作性定义。 「若金属 X 能把金属 Y 从 Y 的盐溶液中置换出来，则 X 比 Y 更具电正性。」这以你实际观察到的现象来定义这个观念。

安全须知

• 佩戴安全护目镜，因为硫酸铜与其他盐溶液具刺激性，溅入眼睛会造成伤害。
• 小心使用砂纸并远离他人，以免碎屑与金属屑进入眼睛。
• 不要用赤手触碰溶液，实验后要洗手，因为这些金属盐有害。
• 把用过的溶液倒入贴有标签的废液容器，而不是倒进水槽，因为它含有重金属离子。

常见错误

• 没有先清洁金属片：氧化层阻碍良好接触，使置换变慢或看似没有发生。
• 各组合使用浓度不同的溶液，使比较不公平。
• 在不良背景下看溶液颜色，因而漏看蓝色变淡。
• 重复使用没洗净的试管，使一种溶液被另一种的残留污染，给出假沉积物。
• 没有给足时间，就错误地下结论说没有反应，其实只是变化还太小、看不出来。

我们如何协助

在我们以英文授课的在线一对一 SPM化学课里，老师会把这个实验讲成一个氧化还原的故事，哪种金属失去电子、哪种离子获得电子，好让你在考试压力下也能写出半变化与活泼性序的结论。学费由每小时 RM50 起，我们也提供一节收费的一小时试课，让你在报读前先看看这项实验是怎样拆解的。

因为在整个 SPM化学 里，置换、电池与腐蚀都建立在同一个电子转移的观念上，掌握好这项实验会在整章氧化还原平衡以至试卷三里回报你。