金属活动性与电子得失

把镁、锌、铜分别放入稀盐酸中，镁和锌能产生氢气，铜通常没有明显气泡。要解释这些差异，需要把宏观现象与金属失电子、氢离子得电子的过程联系起来。

本章依次讨论金属与非氧化性酸、金属与盐溶液的反应，再用置换实验推断金属活动性顺序。每次判断都先确认条件，再解释电子得失。

金属活动性与失电子倾向

金属单质中的金属元素化合价是 $0$。当它变成金属离子时，化合价升高，说明它失去了电子。把任意一种金属暂时写成 $\mathrm{M}$，它在反应中失电子的过程可以概括为：

$$\mathrm{M \rightarrow M^{n+}+ne^-}$$

谁更容易走完这一步，谁的金属活动性通常就更强；从氧化还原的语言看，它的还原性也更强。这里的“活泼”不是指它一定反应得最快、声音一定最大，而是说在合适条件下，它更倾向于把电子交出去。

拿锌与酸反应作一个最小的“电子账本”。锌原子失去 $2$ 个电子，氢离子恰好各得到电子后结合成氢气：

$$\mathrm{Zn \rightarrow Zn^{2+}+2e^-}$$ $$\mathrm{2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2\uparrow}$$

这些电子由锌提供。两条半反应式合在一起，失去的 $2e^-$ 和得到的 $2e^-$ 正好抵消，这就是电子守恒。宏观上我们看到气泡，微观上其实是一次“锌交出电子、氢离子接住电子”的交接。

这也解释了本章与前面氧化还原内容的连接：金属失电子叫氧化，能让别的粒子得电子的金属是还原剂；金属活动性顺序，正是在许多常见反应中把这些“交电子的主动程度”排成了顺序。

一张顺序表，读的是“让电子离开”的难易

高中阶段常用的金属活动性顺序是：

$$\mathrm{K\ Ca\ Na\ Mg\ Al\ Zn\ Fe\ Sn\ Pb\ (H)\ Cu\ Hg\ Ag\ Pt\ Au}$$

从左到右，金属原子失电子的能力逐渐减弱，金属活动性和金属单质的还原性也逐渐减弱。括号里的氢不是金属，它像一条参照线：在非氧化性酸的常见情境中，排在氢前面的金属有把 $\mathrm{H^+}$ 还原成 $\mathrm{H_2}$ 的可能；排在氢后面的铜、银等通常不能把稀盐酸或稀硫酸中的氢离子还原成氢气。

比较相应金属离子的氧化性时，还必须指明离子的价态和反应条件；例如不能把铁的位置直接套给所有含铁离子。注意，这张表服务于高中化学中的常见水溶液反应判断，不是遇到任意物质都可以不看条件地套用的万能开关。

金属与非氧化性酸：先看氢的位置

取有效表面积相近、表面均已打磨的 Mg、Zn、Cu，分别放入等体积、等浓度且初始温度相同的稀盐酸中，比较反应初期的现象。镁表面较快出现气泡，锌也能产生气泡但较慢，铜表面没有明显气泡。真正值得先确认的不是“谁泡得最多”，而是：Mg、Zn 在氢之前，Cu 在氢之后。

对应的离子方程式是：

$$\mathrm{Mg+2H^+\rightarrow Mg^{2+}+H_2\uparrow}$$ $$\mathrm{Zn+2H^+\rightarrow Zn^{2+}+H_2\uparrow}$$

铜与稀盐酸、稀硫酸在此条件下通常不反应，因为 $\mathrm{Cu}$ 不足以把 $\mathrm{H^+}$ 还原成 $\mathrm{H_2}$。这不是说“铜永远不和酸反应”——遇到具有氧化性的酸，判断对象和反应条件已经变了，不能仍只按“氢前氢后”一句话下结论。

这里有一个常见误区：把“气泡更剧烈”直接等同于“活动性一定更强”。若金属片有效表面积、表面是否打磨、酸的浓度或初始温度不同，气泡速率就不能直接比较。做实验题时，先核对“是否在相同条件下”，再用反应能否发生和电子得失来作判断。

金属与盐溶液的置换反应

酸中的竞争者是 $\mathrm{H^+}$；把场景换成盐溶液，竞争者就成了金属离子。把打磨过的锌片放入蓝色硫酸铜溶液，锌片表面会逐渐出现红色固体，溶液蓝色变浅。看起来像是“锌把铜挤走了”，可电子语言更准确：锌原子失电子变为 $\mathrm{Zn^{2+}}$，溶液中的 $\mathrm{Cu^{2+}}$ 得电子变为铜原子，沉积到锌片表面。

$$\mathrm{Zn+Cu^{2+}\rightarrow Zn^{2+}+Cu}$$

写成化学方程式就是：

$$\mathrm{Zn+CuSO_4\rightarrow ZnSO_4+Cu}$$

图中蓝色变浅表示铜离子减少，ZnSO₄ 标注表示新生成的溶质；若硫酸铜尚有剩余，溶液中仍含 Cu²⁺。

把这件事拆成两句，就能避免“只背现象不懂原因”：

$$\mathrm{Zn\rightarrow Zn^{2+}+2e^-}$$ $$\mathrm{Cu^{2+}+2e^-\rightarrow Cu}$$

锌排在铜前面，说明锌单质的还原性比铜单质强；在这一次反应里，$\mathrm{Cu^{2+}}$ 得电子的能力又强于 $\mathrm{Zn^{2+}}$。于是有一条很实用的对应关系：较活泼的金属可在常见条件下把较不活泼金属从其盐溶液中置换出来。

不过，“排在前面就一定能在任何盐溶液里置换”仍然太粗糙。K、Ca、Na 放入水溶液时会优先与水反应，不能按普通置换实验那样直接观察；Al 表面的氧化膜也会妨碍反应现象。遇到这些金属，先判断它是否会先和水反应、表面是否有氧化膜，再讨论盐溶液中的离子。换句话说，顺序表给方向，具体反应物和条件决定能否直接照着走。

用实验定位：不要把猜测当结论

如果题目没有告诉你 M、N、P 三种金属的顺序，该怎么做？可以把每一次置换看成一条“谁在谁前”的证据。

例如，M 片放入 N 的盐溶液后，M 表面有 N 单质析出，说明 M 能失电子、$\mathrm{N^{n+}}$ 能得电子，于是得到 $\mathrm{M>N}$。接着，N 片能从 P 的盐溶液中置换出 P，又得到 $\mathrm{N>P}$。两条证据像拼图一样接上，才可以推出 $\mathrm{M>N>P}$。

例题： 有三种金属 Fe、Cu、Ag。将 Fe 片放入 $\mathrm{CuSO_4}$ 溶液，观察到红色固体析出；将 Cu 片放入 $\mathrm{AgNO_3}$ 溶液，观察到银白色固体析出。怎样排出三者的活动性？

反过来，若把 Cu 片放进 $\mathrm{FeSO_4}$ 溶液却没有明显反应，只能说明在这一条件下 Cu 不能置换出 Fe，和 $\mathrm{Fe>Cu}$ 并不矛盾。“无明显现象”不是一句空话，它同样是一条需要结合实验条件解释的证据。

从活动性到氧化性、还原性：方向刚好相反

到了这里，可以把“金属活动性”与“氧化还原强弱”接得更紧。以 $\mathrm{Zn+Cu^{2+}\rightarrow Zn^{2+}+Cu}$ 为例：

• Zn 失电子，所以 Zn 是还原剂；Zn 比 Cu 活泼，说明还原性：$\mathrm{Zn>Cu}$。
• $\mathrm{Cu^{2+}}$ 得电子，所以 $\mathrm{Cu^{2+}}$ 是氧化剂；在该反应条件下，氧化性：$\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$。

在这组 Zn/Zn²⁺ 与 Cu/Cu²⁺ 的比较中，金属单质还原性与相应离子氧化性的强弱方向相反。这里的强弱来自给定条件下已经发生的反应，不能把它外推到所有价态。例如 Cu 能将 Fe³⁺ 还原为 Fe²⁺，并不说明 Cu 的金属活动性比 Fe 强，因为该过程没有生成 Fe 单质。

顺着这条线，再做一道把现象、方程式和计算放在一起的题。

例题： 将 $6.5\ \mathrm{g}$ Zn 粉加入足量 $\mathrm{CuSO_4}$ 溶液中，完全反应。取 $M(\mathrm{Zn})=65\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$。求生成 Cu 的物质的量和转移电子的物质的量。

让规律回到真实材料

铁制品为什么常做镀锌处理？锌在铁前面，较容易失电子；当镀层出现小破损时，锌仍可以优先失电子，在一定条件下对铁起保护作用。这并不意味着“有锌就永不生锈”，而是说明材料选择背后也在利用金属活动性差异。

铝制品则提醒我们另一件事：铝本身在活动性顺序中靠前，但空气中表面能形成较致密的氧化膜，常温下会阻碍进一步反应。所以“活动性强”与“表面总是立刻剧烈反应”不是同一句话。把电子倾向、表面状态和反应环境同时放进判断，才是真正会用金属活动性顺序。

练习题：把证据翻译成电子语言

1

将表面积相近、表面均已打磨的 Mg、Zn、Cu 分别放入等体积等浓度、初始温度相同的稀盐酸中，比较反应初期。下列说法正确的是？

A.Cu 也会置换出氢气，因为它是金属B.Mg、Zn 反应时金属元素化合价升高C.气泡最多的一组一定能脱离条件地说明活动性最强D.只要金属在氢前，就一定能与所有酸生成氢气

2

关于反应 Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu，下列判断正确的是？

A.Zn 是还原剂B.Cu²⁺ 得到电子C.溶液蓝色变浅是因为 Cu²⁺ 减少D.Zn²⁺ 的氧化性强于 Cu²⁺

提交

第 3 题（方程式书写）： 将铁片放入硫酸铜溶液，请写出反应的离子方程式，并指出铁片表面析出的红色固体。先独立书写，再展开参考解，核对元素符号的大小写、电荷与系数。

显示答案

离子方程式为 $\mathrm{Fe+Cu^{2+}\rightarrow Fe^{2+}+Cu}$，析出的红色固体是铜（Cu）。Fe 排在 Cu 前面，Fe 失电子形成 Fe²⁺，Cu²⁺ 得电子形成 Cu；两边电荷均为 $+2$，转移 2 个电子。硫酸根是旁观离子，不写入净离子方程式。

4

因为 Na 排在 Cu 前面，所以把 Na 投入 CuSO₄ 溶液时，可以直接把它当作 Na 置换 Cu 的普通实验。

正确错误

第 5 题（实验推断）： 有未知金属 A、B、C。实验发现：A 放入 B 的盐溶液有 B 析出；B 放入 C 的盐溶液有 C 析出。请写出三者活动性顺序，并用电子得失解释。

显示答案

活动性顺序为 $\mathrm{A\gt B\gt C}$。A 能把 $\mathrm{B^{n+}}$ 还原为 B，说明 A 更容易失电子，所以 $\mathrm{A\gt B}$；B 又能把 $\mathrm{C^{m+}}$ 还原为 C，说明 。将两条证据连接，就得到 。每一条置换的本质都是前一种金属失电子、后一种金属离子得电子。

第 6 题（守恒计算）： $13.0\ \mathrm{g}$ Zn 与足量 $\mathrm{CuSO_4}$ 溶液完全反应。取 $M(\mathrm{Zn})=65\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$。求生成 Cu 的物质的量和转移电子的物质的量。

显示答案

先求 $n(\mathrm{Zn})=\frac{13.0}{65}=0.20\ \mathrm{mol}$。由 $\mathrm{Zn+CuSO_4\rightarrow ZnSO_4+Cu}$，Zn 与 Cu 的物质的量之比为 ，所以生成 Cu。每 1 mol Zn 失去 2 mol 电子，故转移电子为 。也可以从 每 1 mol 得 2 mol 电子复核，结果相同。