# 金属活动性顺序

> 爱德思国际GCSE化学 · 4CH1 2017考纲
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-igcse-chemistry-s2-reactivity-series/

本指南覆盖爱德思IGCSE化学（4CH1）考纲中金属活动性顺序的全部内容，包括金属与水/酸的反应、置换反应、氧化还原规则、铁生锈的条件与防护方法，以及相关必修实验。

**先修:** [书写带状态符号的配平化学方程式](https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-igcse-chemistry-s1-chemical-equations/); [金属的基本性质](https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-igcse-chemistry-s2-properties-of-metals/)

## 学习目标

- 利用金属与水、酸的反应数据以及置换反应相关数据，将金属按指定的活动性顺序排列
- 熟记铁生锈的条件以及3种铁的防锈方法
- 结合氧元素得失与电子转移规则，定义氧化还原反应、氧化反应、还原反应、氧化剂与还原剂
- 预测置换反应的产物，并书写带状态符号的配平化学方程式
- 描述金属与稀酸反应的必修实验内容

## 金属活动性顺序排列与通过水/酸反应判断活动性强弱

**金属活动性顺序** — 根据金属形成阳离子的倾向强弱，将金属按活动性从高（顶部）到低（底部）排序得到的分级列表。

爱德思IGCSE考纲要求掌握的金属活动性顺序为：**钾(K) > 钠(Na) > 锂(Li) > 钙(Ca) > 镁(Mg) > 铝(Al) > 锌(Zn) > 铁(Fe) > 铜(Cu) > 银(Ag) > 金(Au)**。你可以通过观察金属与冷水、水蒸气、稀盐酸/稀硫酸的反应现象判断活动性强弱：反应越剧烈，金属活动性越强。活动性排在氢之前的金属可以与稀酸反应生成盐和氢气，排在氢之后的金属则不与稀酸发生反应。

**例题:** 某学生将大小相同、表面积相等的金属W、X、Y分别加入等体积的1mol/dm³稀盐酸中。W表面缓慢产生气泡，X剧烈反应产生大量气泡，Y无明显现象。请将三种金属按活动性从强到弱排序，并指出其中哪种金属可能是铜。

1. 气泡产生速率越快代表金属活动性越强，因此活动性顺序为X > W > Y。
2. 铜在金属活动性顺序中排在氢之后，不与稀酸反应，因此Y是铜。

> **考试小贴士**
>
> 作答时请严格使用爱德思考纲指定的K > Na > Li排列顺序，不要使用其他教材中出现的不同排序，避免在排序类题目中失分。

*计算器:* allowed

## 置换反应与金属活动性排序

**置换反应** — 活动性更强的金属可以从活动性较弱金属的固态氧化物或盐水溶液中将其置换出来的反应。

只有当加入的游离金属在活动性顺序中的位置高于氧化物或盐中的金属离子时，置换反应才会发生。你可以通过观察置换反应的现象验证两种金属的相对活动性。书写置换反应的配平方程式时务必标注状态符号，考试中经常会为正确的状态符号设置单独得分点。

**例题:** 写出加热条件下金属锌与氧化铜(II)反应的配平方程式（带状态符号），并解释该反应能够发生的原因。

1. 检查反应活性：在金属活动性顺序中，锌位于铜之前，因此会发生置换反应。
2. 反应产物为氧化锌和金属铜。
3. $$Zn(s) + CuO(s) \rightarrow ZnO(s) + Cu(s)$$
4. 解释：锌的反应活性比铜强，因此它可以从氧化铜中置换出铜单质。

*计算器:* allowed

## 氧化还原反应与核心定义

**氧化还原反应** — 同时发生氧化反应和还原反应的化学反应。

本课程中氧化和还原有两种公认的定义：<br> 1. **氧转移角度**：氧化 = 得氧；还原 = 失氧 <br> 2. **电子转移角度**：氧化 = 失电子；还原 = 得电子。还原剂是被氧化的物质，氧化剂是被还原的物质。

> **mnemonic**
>
> OIL RIG 记忆法：氧化即失电子（Oxidation Is Loss of electrons），还原即得电子（Reduction Is Gain of electrons）

**例题:** 在反应 $Mg(s) + CuSO_4(aq) \rightarrow MgSO_4(aq) + Cu(s)$ 中识别氧化剂和还原剂。

1. 追踪电子转移：Mg失去2个电子形成 $Mg^{2+}$，因此Mg发生氧化反应，属于还原剂。
2. $Cu^{2+}$ 得到2个电子形成Cu单质，因此来自 $CuSO_4$ 的 $Cu^{2+}$ 发生还原反应，因此 $CuSO_4$ 是氧化剂。

*计算器:* allowed

## 铁的锈蚀与防护方法

**铁的锈蚀** — 铁发生腐蚀生成水合氧化铁(III)（铁锈）的过程，该过程的发生同时需要来自空气的氧气和水。

可以通过移除一种或两种锈蚀所需的条件来防止铁生锈：<br> 1. **屏障法**：使用油漆、油、润滑脂或塑料涂层阻隔氧气和水接触铁表面。<br> 2. **镀锌防护**：在铁表面镀上锌层，锌既可以作为屏障，即使涂层被刮破，由于锌的反应活性比铁强，也会优先发生腐蚀。<br> 3. **牺牲阳极保护法**：将反应性比铁更强的金属（例如镁、锌）连接到铁上，该金属会代替铁发生氧化反应，即使铁暴露在水和氧气中也不会被锈蚀。

**例题:** 解释为什么给铁门上刷油漆可以防止其生锈。

1. 油漆在铁表面和环境中的氧气、水之间形成了一层防水且密闭的屏障。
2. 由于锈蚀同时需要氧气和水，阻止它们接触铁就可以避免铁锈生成。

*计算器:* allowed

## 必修实验：金属与稀酸的反应

本实验（考纲考点2.21）通过镁、锌、铁与稀盐酸或稀硫酸的反应，探究三种金属的相对反应活性。实验中必须使用等体积、等浓度的酸，以及等质量、等表面积的三种金属试样，以保证实验结果有效。你可以通过观察气泡产生的速率，或测量每分钟生成的氢气体积来衡量反应活性强弱。

**例题:** 写出本实验的预期结果，并解释该结果反映的三种金属的相对反应活性顺序。

1. 预期结果：镁产生气泡的速率最快，其次是锌，铁产生气泡的速率最慢。
2. 反应速率越快代表反应活性越强，因此三种金属的反应活性顺序为镁 > 锌 > 铁，与标准金属活动性顺序一致。

*计算器:* allowed

## 常见错误

- **错误做法:** Using the order Li > Na > K instead of the Edexcel-specified K > Na > Li
  - 原因: Edexcel explicitly requires the K > Na > Li order, so you will lose marks for incorrect ranking.
  - 正确做法: Memorise the exact spec reactivity order: K, Na, Li, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Cu, Ag, Au.
- **错误做法:** Predicting displacement when the added metal is less reactive than the metal in the salt/oxide
  - 原因: Displacement only occurs if the added metal is higher in the reactivity series than the metal ion present.
  - 正确做法: Always check the reactivity order before predicting displacement reactions.
- **错误做法:** Stating rusting only requires water or only requires oxygen
  - 原因: Both water and oxygen are essential for rusting to occur, as rust is hydrated iron(III) oxide.
  - 正确做法: Recall that both $H_2O$ and $O_2$ must be present for iron to rust; removing either stops rusting.
- **错误做法:** Confusing oxidising and reducing agents: stating the oxidising agent is oxidised
  - 原因: Oxidising agents cause oxidation in other substances, so they are themselves reduced.
  - 正确做法: Remember: reducing agent = oxidised; oxidising agent = reduced.
- **错误做法:** Forgetting state symbols in displacement reaction equations
  - 原因: Edexcel exam questions often explicitly award marks for correct state symbols.
  - 正确做法: Always include (s), (l), (g), (aq) for all reactants and products in balanced equations.
- **错误做法:** Thinking galvanising only works as a barrier method
  - 原因: If the zinc coating is scratched, zinc is more reactive than iron so it acts as a sacrificial metal, continuing to protect the iron.
  - 正确做法: Remember galvanising provides both barrier and sacrificial protection.

## 速查表

| Metal | Reacts with cold water? | Reacts with dilute acid? | Displaces Cu from $CuSO_4(aq)$? |
| --- | --- | --- | --- |
| Potassium (K) | Yes (explosive) | Yes (explosive) | Yes |
| Sodium (Na) | Yes (very vigorous) | Yes (very vigorous) | Yes |
| Lithium (Li) | Yes (vigorous) | Yes (vigorous) | Yes |
| Calcium (Ca) | Yes (steady) | Yes (fast) | Yes |
| Magnesium (Mg) | Very slowly | Yes (fast fizzing) | Yes |
| Aluminium (Al) | No | Yes (slow initially) | Yes |
| Zinc (Zn) | No | Yes (steady fizzing) | Yes |
| Iron (Fe) | No | Yes (slow fizzing) | Yes |
| Copper (Cu) | No | No | No |
| Silver (Ag) | No | No | No |
| Gold (Au) | No | No | No |

## 下一步

Now that you have mastered the reactivity series, you can move on to related core topics that build directly on this knowledge. The next sub-topic is metal extraction, which uses the reactivity series to determine the correct method for extracting different metals from their ores. You will also apply the redox rules you learned here to electrolysis reactions, where oxidation and reduction occur at electrodes. Practicing past paper questions on reactivity ranking, displacement reactions, and rust prevention will help you solidify your understanding and avoid common exam mistakes.

- [Electrolysis & Redox](https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-igcse-chemistry-s1-electrolysis/)

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