九年级化学上册金属活动性课｜置换反应

1课程导入与前置知识回顾演讲人01.02.03.04.05.目录课程导入与前置知识回顾基于实验探究的金属活动性顺序建构置换反应的概念建构与特征辨析核心知识的应用与常见误区突破课程总结九年级化学上册金属活动性课｜置换反应我执教九年级化学已经十二年，这节课是学生从认识零散物质性质到掌握化学反应通用规律的关键转折点，也是后续学习酸碱盐性质、理解氧化还原反应的核心基础。本节课我将结合多年分组实验教学的经验，从实验探究出发，循序渐进带领大家建构金属活动性顺序与置换反应的核心知识，明确规律的适用范围，突破常见认知误区。接下来我将按照从铺垫到探究、从概念到应用的逻辑展开本节课内容。01课程导入与前置知识回顾课程导入与前置知识回顾在学习新课之前，我们先回顾已经掌握的相关知识，为新内容的学习搭建认知桥梁。1已有核心知识铺垫1.1化学反应基本类型回顾我们在之前的学习中已经认识了两种基本化学反应类型：化合反应是“多变一”，即多种反应物生成一种生成物；分解反应是“一变多”，即一种反应物生成多种生成物。这两种分类是依据反应物、生成物的物质类别数量划分的，今天我们要学习第三种基本反应类型，它的划分逻辑同样基于物质类别，大家可以在学习过程中对比区分。1已有核心知识铺垫1.2已有金属反应经验梳理此前我们在学习氧气的性质、实验室制取氢气时，已经接触过金属与非金属、金属与酸的反应，比如镁条燃烧、锌粒和稀硫酸反应制氢气。我记得去年有个学生做完氢气制取实验后问我：“为什么铜片放到稀硫酸里没有气泡？是不是酸的浓度不够？”这个问题其实就指向我们今天要解决的核心——不同金属的活泼程度不同，也就是金属活动性不同，这就是我们本节课要探究的第一个核心问题。2本节课核心学习目标明确梳理完前置知识后，我明确本节课我们需要达成三个核心目标：1.2.2掌握置换反应的定义、特征，能够准确区分置换反应与其他基本反应类型；1.2.3能够运用金属活动性顺序，准确判断金属置换反应能否发生，解决常见的化学问题。1.2.1能够理解金属活动性顺序的本质含义，熟记标准金属活动性顺序表；02基于实验探究的金属活动性顺序建构基于实验探究的金属活动性顺序建构化学是一门以实验为基础的学科，金属活动性的规律不是凭空生成的，是我们通过大量实验现象归纳总结出来的。本节课我依然安排了三组分组探究实验，大家可以通过亲手观察现象，自己推导规律。1分组探究实验设计与现象归纳1.1不同金属与稀盐酸的反应探究我们取表面积相同的镁片、锌片、铁片、铜片，分别放入四支等浓度稀盐酸的试管中，观察现象：镁片放入后立即产生大量气泡，反应剧烈，试管壁明显发热；锌片放入后较快产生大量气泡，反应速率适中；铁片放入后缓慢产生少量气泡，溶液逐渐由无色变为浅绿色；铜片放入后静置十分钟，没有任何明显气泡产生，溶液颜色也没有变化。从反应的剧烈程度我们可以直接得出初步结论：四种金属的活泼程度为镁>锌>铁>铜，只有排在前面的金属能置换出酸中的氢，排在后面的不能。我在巡视分组实验的时候，去年确实有小组看到铜片没有气泡，以为实验失败，跑来问我要新的盐酸，这其实就是正确的实验现象，恰恰说明铜的活动性弱于氢，这个小插曲也让全班同学对这个结论印象格外深刻。1分组探究实验设计与现象归纳1.2不同金属与稀硫酸的验证实验为了排除酸的种类对实验结果的影响，我们用等浓度的稀硫酸重复上述实验，得到的现象与稀盐酸组完全一致，结论也相同：镁>锌>铁>铜，进一步验证了我们刚才的初步结论。1分组探究实验设计与现象归纳1.3金属与可溶性盐溶液的反应探究接下来我们探究不同金属之间的活动性强弱，我们设计了三组实验：将洁净铁钉放入硫酸铜溶液、将洁净铜片放入硝酸银溶液、将洁净铜片放入硫酸亚铁溶液，观察现象：铁钉表面逐渐析出红色固体，蓝色硫酸铜溶液逐渐变为浅绿色，说明铁能把铜从硫酸铜溶液中置换出来，铁的活动性强于铜；铜片表面逐渐析出银白色固体，无色硝酸银溶液逐渐变为蓝色，说明铜能把银从硝酸银溶液中置换出来，铜的活动性强于银；铜片放入硫酸亚铁溶液中，静置一小时没有任何明显变化，说明铜不能置换铁，铁的活动性强于铜。三组实验结合，我们得到三种金属的活动性顺序为铁>铜>银。2金属活动性顺序的总结与本质解读结合全球化学家数百年来的实验结果，人们将常见金属按照活动性强弱排序，得到了标准的金属活动性顺序表。2金属活动性顺序的总结与本质解读2.1标准金属活动性顺序表呈现常见金属活动性顺序为：$\ce{K}$$\ce{Ca}$$\ce{Na}$$\ce{Mg}$$\ce{Al}$$\ce{Zn}$$\ce{Fe}$$\ce{Sn}$$\ce{Pb}$$\ce{(H)}$$\ce{Cu}$$\ce{Hg}$$\ce{Ag}$$\ce{Pt}$$\ce{Au}$，即钾钙钠镁铝锌铁锡铅氢铜汞银铂金，要求大家必须熟记这个顺序。2金属活动性顺序的总结与本质解读2.2金属活动性顺序的核心本质从本质上来说，金属活动性顺序反映的是金属在水溶液中失去电子转化为阳离子的能力强弱：位置越靠前，原子越容易失去电子，活动性越强，化学性质越活泼；位置越靠后，失电子能力越弱，活动性越弱，化学性质越稳定。这里要强调，我们说的活动性是指水溶液中的反应活性，这也是后续所有规律的适用前提。2金属活动性顺序的总结与本质解读2.3金属活动性顺序的核心规律梳理基于顺序表，我们可以得到三个可直接用于解题的核心规律：2.2.3.1金属的位置越靠前，活动性就越强，这个是最基础的排序规律；2.2.3.2排在氢前面的金属，能够置换出稀盐酸、稀硫酸中的氢元素，生成氢气；排在氢后面的金属不能置换出酸中的氢。这里我必须强调，结合我多年的教学统计，超过一半的学生初学这里会犯两个错误：第一，表述成“置换出酸中的氢气”，实际酸中没有氢气，只有氢元素，这个表述本身就是错误的；第二，认为所有酸都符合这个规律，实际上浓硫酸、硝酸具有强氧化性，和金属反应不会生成氢气，也不属于我们说的置换反应，所以这里的酸特指稀盐酸和稀硫酸，这个点大家一定要记牢；2金属活动性顺序的总结与本质解读2.3金属活动性顺序的核心规律梳理2.2.3.3排在前面的金属，能够把排在后面的金属从它们的可溶性盐溶液中置换出来。这里也有两个需要注意的点：第一，盐必须可溶，也就是形成溶液，如果盐是不溶于水的固体，哪怕金属活动性更强，也不能发生置换；第二，钾、钙、钠三种金属除外，因为这三种金属活动性太强，放入盐溶液中会先和水反应生成碱和氢气，不会置换出后面的金属。我曾经给学生做过演示实验：把一小块钠放入硫酸铜溶液中，大家可以看到钠浮在水面上熔成小球，快速游动，最终生成蓝色沉淀，并没有预期的红色铜析出，这个实验就很直观地说明了这个例外，相信大家看过一次就不会忘。我们通过实验探究建构了金属活动性顺序的核心规律，接下来我们观察上述所有实验中的反应，会发现它们的反应物和生成物的物质类别有着高度一致的特征，这就是我们本节课要学习的第二个核心内容——置换反应。03置换反应的概念建构与特征辨析1置换反应概念的归纳与生成1.1典型反应的对比分析我们把刚才实验中涉及的核心反应的化学方程式写出来，对比它们的物质类别：$\ce{Mg+2HCl=MgCl_{2}+H_{2}↑}$$\ce{Zn+H_{2}SO_{4}=ZnSO_{4}+H_{2}↑}$$\ce{Fe+CuSO_{4}=FeSO_{4}+Cu}$$\ce{Cu+2AgNO_{3}=Cu(NO_{3})_{2}+2Ag}$大家可以自己拆分物质类别：第一个反应，反应物$\ce{Mg}$是单质，$\ce{HCl}$是化合物；生成物$\ce{MgCl_{2}}$是化合物，$\ce{H_{2}}$是单质。剩下三个反应全部符合这个特征：一种单质和一种化合物作为反应物，生成另一种单质和另一种化合物。去年我上课的时候，有个学生很快就总结出“就是一个单质换一个单质嘛”，这个总结非常准确，抓住了置换反应的核心特征。1置换反应概念的归纳与生成1.2置换反应的定义与表示我们给置换反应下一个明确的定义：一种单质与一种化合物反应，生成另一种单质和另一种化合物的反应，叫做置换反应。我们可以用字母通式表示为：$\ce{A+BC=B+AC}$，这个通式非常直观地体现了“单换单”的特征。1置换反应概念的归纳与生成1.3置换反应的特征置换反应有一个非常典型的特征：反应前后一定有元素的化合价发生改变。因为反应物中的单质化合价为0，反应后变成化合物中的元素，化合价一定不为0；生成物中的单质是由反应物中化合物里的元素转化来的，化合价也从非0变成了0，所以置换反应一定有化合价变化，这个特征可以帮助我们快速做辅助判断。2置换反应的常见类型与易错辨析很多学生初学置换反应，会认为只有金属参与的反应才是置换反应，这个认知是不全面的，我们整理常见的置换反应类型，同时辨析容易混淆的错误点。2置换反应的常见类型与易错辨析2.1金属参与的置换反应（核心类型）这也是我们本节课学习的核心类型，分为两类：3.2.1.1活泼金属与稀酸的置换反应：符合金属活动性顺序中氢前金属换氢的规律，我们刚才已经详细讲过规律和易错点，这里不再重复；3.2.1.2活泼金属与可溶性盐溶液的置换反应：符合“前换后、盐可溶、钾钙钠除外”的规律，也已经讲过，这里强调，只要符合规律，就属于置换反应。2置换反应的常见类型与易错辨析2.2非金属参与的常见置换反应除了金属参与的置换，还有两类我们已经学过的非金属置换反应：3.2.2.1碳还原金属氧化物，比如$\ce{C+2CuO\xlongequal{高温}2Cu+CO_{2}↑}$，反应物碳是单质，氧化铜是化合物，生成物铜是单质，二氧化碳是化合物，符合置换反应的定义，属于置换反应；3.2.2.2氢气还原金属氧化物，比如$\ce{H_{2}+CuO\xlongequal{\Delta}Cu+H_{2}O}$，同样符合定义，属于置换反应；也就是说，只要符合定义，不管参与反应的单质是金属还是非金属，都是置换反应，这个认知一定要纠正过来。2置换反应的常见类型与易错辨析2.3常见易混淆反应的辨析结合我多年的教学统计，以下几个反应是学生最容易判断错误的，我们逐一辨析：3.2.3.1一氧化碳还原氧化铜：$\ce{CO+CuO\xlongequal{\Delta}Cu+CO_{2}}$，虽然生成物有单质铜，但是反应物一氧化碳和氧化铜都是化合物，不符合“一种单质+一种化合物”的反应物要求，所以不属于置换反应，这是出错率最高的一个反应，大家一定要记住；3.2.3.2甲烷燃烧：$\ce{CH_{4}+2O_{2}\xlongequal{点燃}CO_{2}+2H_{2}O}$，反应物有单质氧气，但是生成物二氧化碳和水都是化合物，没有单质生成，所以不属于置换反应；2置换反应的常见类型与易错辨析2.3常见易混淆反应的辨析3.2.3.3钠和硫酸铜溶液的总反应：$\ce{2Na+2H_{2}O+CuSO_{4}=Cu(OH){2}↓+Na{2}SO_{4}+H_{2}↑}$，虽然生成物有氢气单质，但反应物两种化合物，生成物也没有新的单质从硫酸铜中置换出来，所以不属于置换反应。我们已经完成了金属活动性顺序和置换反应的概念建构，接下来我们把核心知识应用到解题中，梳理常见题型的解题方法，突破常见认知误区。04核心知识的应用与常见误区突破1典型问题类型与解题方法1.1判断置换反应能否发生解题方法就是对照金属活动性顺序的两个规律：和酸反应看是否排在氢前，酸是否为稀酸；和盐反应看是否前换后，盐是否可溶，排除钾钙钠的例外情况即可。比如我们来看四个例子：①铜和稀盐酸，铜排在氢后，不能发生；②铁和稀硫酸，铁排在氢前，能发生，生成硫酸亚铁和氢气；③银和硫酸铜溶液，银排在铜后，不能发生；④铁和氯化银，铁虽然排在银前，但氯化银不溶于水，不能形成溶液，所以不能发生。很多学生都会错最后一个，一定要记住盐必须可溶这个前提。1典型问题类型与解题方法1.2判断未知金属的活动性强弱解题方法是：能和酸反应生成氢气的金属，活动性强于不能反应的；能置换出盐中金属的，活动性强于被置换的金属，依次排序即可。比如现有X、Y、Z三种金属，X不能和稀硫酸反应，Y能和稀硫酸反应生成氢气，Z能把X从它的硝酸盐溶液中置换出来，那么活动性排序为Y>Z>X，这个方法非常清晰。1典型问题类型与解题方法1.3反应后滤渣滤液的成分判断这是中考的高频考点，也是学生公认的难点，我给大家总结了“排顺序、先置换、后分步”的解题方法：先把三种金属按照活动性从强到弱排序，活动性强的金属先置换出活动性最弱的金属，反应完再置换下一个，按照加入金属的量分步判断即可。比如把铁加入硝酸铜和硝酸银的混合溶液中，先排序活动性铁>铜>银，所以铁先和硝酸银反应，硝酸银反应完再和硝酸铜反应，我们按照铁的量分步判断：铁少量只置换部分银，滤渣只有银，滤液有硝酸银、硝酸铜、硝酸亚铁；铁刚好置换完所有银，滤渣只有银，滤液有硝酸铜、硝酸亚铁；铁置换完银又置换部分铜，滤渣有银、铜，滤液有硝酸铜、硝酸亚铁；铁刚好置换完所有铜，滤渣有银、铜，滤液只有硝酸亚铁；铁过量，滤渣有银、铜、铁，滤液只有硝酸亚铁。只要理清反应顺序，这个难点就很容易解决，我带学生练习两三次，基本都能掌握。2本节课常见误