化学自习室移动版

在中学化学教学中，常会碰到这样的习题：

某研究性学习小组做铝与酸反应的实验，发现H^＋的物质的量浓度相同的 盐酸和硫酸分别与相同材料、相同表面积的铝片反应，盐酸与铝反应的速度远 远比铝与硫酸反应的速度快。研究性小组的同学提出如下假设：

假设1：Cl^－催化铝与酸的反应。

假设2：SO₄^2－抑制铝与酸的反应。

请设计实验探究方案说明研究性学习小组同学的假设是否正确。

其实，几乎所有较活泼的金属与酸的析氢反应、较活泼金属与可溶性金属盐发生的置换反应，都存在这样的现象：相同条件下，有Cl^－存在时反应速率比没有Cl^－存在时快。对于Cl^－能加快金属单质与酸或可溶性盐反应的解释有以下几种：

活化金属说  一般说来，稳态和亚稳态的金属表面总是或多或少地处于 一种钝态，Cl^－能使这些处于钝态的金属表面重新活化，使它成为能发生氧化 还原反应的活性中心。

破坏氧化膜说 Cl^－穿过金属氧化膜孔或裂缝的能力比其他离子强，同时还能使氧化膜呈胶状分散状态，从而进一步增加了 Cl^－的穿膜机会。当Cl^－进入金属表面时，金属的电极电位变小而活性增加，这样就形成了多个微电池 (氧化膜处为原电池的正极），微电池的形成加速了金属与酸或可溶性盐反应。

阻止氧化膜形成说  金属不仅在空气中可形成氧化膜，也可在水溶液中被溶解的氧气或者水溶液中的水所氧化形成氧化膜。Cl^－能被吸附在氧化膜 上，进而取代氧化膜中的氧原子，使具有保护作用的氧化膜变为可溶性的氯化 物；或者是金属与极性水分子接触，水分子进行定向排列，水分子中的氧原子排列在金属表面，金属与水分子作用形成氢氧化物膜，使保护膜加厚，若溶液 中有Cl^－存在，Cl^－将移向金属表面，而把密集层中的水分子替换出来，阻止氧化膜的形成。

与金属离子配位说  Cl^－有较强的配位能力，易与金属离子形成配离子， 如[AlCl_n]^(n-3)-、[ZnCl_n]^(n-2)-、[FeCl_n]^(n-3)-等配离子的形成，降低了金属的电极电位，使反应进行的动力更大。

桥连转移电子说   由于Cl^－存在多对孤对电子，可以在金属原子和另一个 阳离子之间通过配位键形成桥连，桥连的形成易于反应中电子的转移，因而加快反应速率。

必须指出的是，有实验发现，在反应体系中增加SO₄^2－、NO₃^－的浓度，会导致反应速率减小。由于金属离子在溶液中获得电子的速率一般是很大 的，一些金属离子获得水合电子的速率常数为：Zn^2＋ 1. 4×10⁹ M^-1 • s^-1、H^＋  2. 1×10¹⁰ M^-1 • s^-1。较活泼的金属只要能给出电子，其与酸的析氢反应及与可溶性盐发生的置换反应就很快。在反应体系中增大SO₄^2－、NO₃^－的浓度导致反应速率减小，只能从氧化膜的破坏受到抑制的角度进行解释。

参考文献

[1] 吴昌辉，许国忠.研究性学习一例——铝与稀盐酸及稀硫酸反应的差异探究[J].化学 教学，2002(5)

[2] 刘新宇，马胜利.铝与稀酸反应的实验探究[J].教学仪器与实验，2001(12)