鈉和鈣在金屬活度序列表中的位置排列分析作者:溫州弘德中學唐若平轉貼自:本站原創點擊量:158
當我們將兩塊大小相同的金屬鈉和金屬鈣放入兩個盛水的燒杯中，會發現鈉與水的反應非常激烈，鈉融化成小球漂浮在水面上，快速遊動，甚至燃燒產生的氫氣。鈣雖然能和水反應，但沒有鈉那麽劇烈，沈到底。從實驗現象來看，鈉比鈣活性大得多，那麽為什麽在金屬活性序列表中不把鈉放在鈣前面，而把鈣放在鈉前面呢？要解釋這個問題，我們必須了解金屬活動的順序是基於什麽。事實上，金屬的遷移順序並不是按照金屬與水反應的強度排列的，而是按照金屬的標準電極電位排列的。金屬的標準電極電位的代數值越小，金屬原子越容易變成水合離子，說明它是活性的。Ca的標準電極電位為-2.76V，Na的標準電極電位為-2.71V，所以Ca比Na更容易成為水合離子，Ca比Na更活潑，所以鈣在序列表中排在鈉之前，而不是鈉之後。金屬的標準電極電位是反映金屬在酸性溶液中失去電子轉化為水合離子過程難易程度的參數。為什麽Ca的標準電極電位比Na的小？這要從影響金屬標準電極電位的因素來分析。從能量變化的角度來看，金屬的標準電極電位與金屬的電離能(也叫電離勢)、升華熱和水合能有關。這三種能量之和就是金屬變成水合離子的能量變化。這種能量變化的代數值越小，對應的標準電極電位越低，金屬越活躍。鈉的升華熱、電離能和水合能分別為109kJ/mol、496 kJ/mol和-420 kJ/mol。Ca的升華熱、電離能和水合能分別為178 kJ/mol、590 kJ/mol和-1615 kJ/mol。根據這些數據，鈣的標準電極電位低於鈉或鈣的活性強於鈉的主要原因是鈣離子的水合能遠大於鈉離子的水合能。Ca2+的水合能是Na+的近4倍。因此，水合能是鈣和鈉活性的主要量度。為什麽Ca2+的水合能大於Na+的水合能？這與離子的半徑和離子攜帶的電荷有關。壹般同族元素的離子半徑越大，水合能越小；對於大小相近的離子，高價離子的水合能遠大於低價離子。Na+ (0.95OA)的半徑與Ca2+ (0.98OA)的半徑相似。Na+的電荷為+1，Ca2+的電荷為+2。所以Ca2+與水分子的結合能力比Na+強，所以Ca2+的水合能比Na+大，使Ca2+更加水合。那麽，對於上述金屬鈉和鈣分別與水反應時的不同實驗現象有什麽解釋？因為Ca的熔點高(845℃)，Na的熔點低(97.9℃)，所以鈉與水反應時釋放的熱量足以使鈉熔化成液體，而鈣與水反應時釋放的熱量不足以使鈣熔化。顯然，固體與水接觸的機會不如液體。此外，鈣的密度(1.54 g/cm3)高於鈉的密度(0.97 g/cm3)。在反應中，鈉浮在水面，鈣沈在水底。另外，產物Ca(OH)2在水中的溶解度比NaOH弱得多，Ca(OH)2覆蓋在鈣的表面，使鈣與水的反應得以進行。值得壹提的是，金屬的流動性和金屬性是兩個不同的概念，有些同學容易混淆。壹般來說，金屬元素的金屬性是指金屬原子在化學反應中失去電子變成陽離子的性質。衡量金屬性的強弱，是元素的第壹電離能。金屬的電離能越大，其金屬性越弱，失去電子的能力越小；金屬的電離能越小，其金屬性越強，失去電子的能力越強。金屬的遷移率是指金屬在水溶液中(嚴格來說應該是在酸性溶液中，在標準組態下)的還原能力，這是基於金屬的標準電極電位。需要註意的是，電離能只是衡量氣體原子失去電子變成氣體陽離子的難易程度，電極電位是水溶液中金屬形成陽離子趨勢的標誌。從金屬的角度來看，鈣比鈉弱，因為鈉的第壹電離能是496kJ/mol，而鈣是590kJ/mol。就金屬活性而言，鈣比鈉更活躍。所以金屬的活性和金屬性不壹定壹致，這兩個不同的概念壹定不能劃等號。