如何证明钙比钠活性大？

钠和钙在金属活度序列表中的位置排列分析作者:温州弘德中学唐若平转贴自:本站原创点击量:158

当我们将两块大小相同的金属钠和金属钙放入两个盛水的烧杯中，会发现钠与水的反应非常激烈，钠融化成小球漂浮在水面上，快速游动，甚至燃烧产生的氢气。钙虽然能和水反应，但没有钠那么剧烈，沉到底。从实验现象来看，钠比钙活性大得多，那么为什么在金属活性序列表中不把钠放在钙前面，而把钙放在钠前面呢？要解释这个问题，我们必须了解金属活动的顺序是基于什么。事实上，金属的迁移顺序并不是按照金属与水反应的强度排列的，而是按照金属的标准电极电位排列的。金属的标准电极电位的代数值越小，金属原子越容易变成水合离子，说明它是活性的。Ca的标准电极电位为-2.76V，Na的标准电极电位为-2.71V，所以Ca比Na更容易成为水合离子，Ca比Na更活泼，所以钙在序列表中排在钠之前，而不是钠之后。金属的标准电极电位是反映金属在酸性溶液中失去电子转化为水合离子过程难易程度的参数。为什么Ca的标准电极电位比Na的小？这要从影响金属标准电极电位的因素来分析。从能量变化的角度来看，金属的标准电极电位与金属的电离能(也叫电离势)、升华热和水合能有关。这三种能量之和就是金属变成水合离子的能量变化。这种能量变化的代数值越小，对应的标准电极电位越低，金属越活跃。钠的升华热、电离能和水合能分别为109kJ/mol、496 kJ/mol和-420 kJ/mol。Ca的升华热、电离能和水合能分别为178 kJ/mol、590 kJ/mol和-1615 kJ/mol。根据这些数据，钙的标准电极电位低于钠或钙的活性强于钠的主要原因是钙离子的水合能远大于钠离子的水合能。Ca2+的水合能是Na+的近4倍。因此，水合能是钙和钠活性的主要量度。为什么Ca2+的水合能大于Na+的水合能？这与离子的半径和离子携带的电荷有关。一般同族元素的离子半径越大，水合能越小；对于大小相近的离子，高价离子的水合能远大于低价离子。Na+ (0.95OA)的半径与Ca2+ (0.98OA)的半径相似。Na+的电荷为+1，Ca2+的电荷为+2。所以Ca2+与水分子的结合能力比Na+强，所以Ca2+的水合能比Na+大，使Ca2+更加水合。那么，对于上述金属钠和钙分别与水反应时的不同实验现象有什么解释？因为Ca的熔点高(845℃)，Na的熔点低(97.9℃)，所以钠与水反应时释放的热量足以使钠熔化成液体，而钙与水反应时释放的热量不足以使钙熔化。显然，固体与水接触的机会不如液体。此外，钙的密度(1.54 g/cm3)高于钠的密度(0.97 g/cm3)。在反应中，钠浮在水面，钙沉在水底。另外，产物Ca(OH)2在水中的溶解度比NaOH弱得多，Ca(OH)2覆盖在钙的表面，使钙与水的反应得以进行。值得一提的是，金属的流动性和金属性是两个不同的概念，有些同学容易混淆。一般来说，金属元素的金属性是指金属原子在化学反应中失去电子变成阳离子的性质。衡量金属性的强弱，是元素的第一电离能。金属的电离能越大，其金属性越弱，失去电子的能力越小；金属的电离能越小，其金属性越强，失去电子的能力越强。金属的迁移率是指金属在水溶液中(严格来说应该是在酸性溶液中，在标准组态下)的还原能力，这是基于金属的标准电极电位。需要注意的是，电离能只是衡量气体原子失去电子变成气体阳离子的难易程度，电极电位是水溶液中金属形成阳离子趋势的标志。从金属的角度来看，钙比钠弱，因为钠的第一电离能是496kJ/mol，而钙是590kJ/mol。就金属活性而言，钙比钠更活跃。所以金属的活性和金属性不一定一致，这两个不同的概念一定不能划等号。