鎂與二氧化碳反應(yīng)的趣味實驗設(shè)計

林志勤+李桂林+李國興

摘要：借鑒并整合了互聯(lián)網(wǎng)上“大象牙膏”與“鎂在干冰中燃燒”兩個實驗視頻的內(nèi)容，設(shè)計了鎂在二氧化碳泡沫中燃燒的實驗。借用洗潔精的助力以及鹽類的水解反應(yīng)，獲得大量的二氧化碳泡沫參與鎂條的燃燒反應(yīng)。實踐表明，新的實驗設(shè)計提升了該實驗的趣味性、觀賞性、可操作性與安全性。

關(guān)鍵詞：鎂條；二氧化碳；趣味實驗；實驗設(shè)計

文章編號：1005–6629（2015）7–0051–03 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

1 問題的提出

互聯(lián)網(wǎng)上許多創(chuàng)新有趣的實驗視頻，其中有些化學(xué)實驗所需原料簡單、實驗環(huán)境不拘、視覺效果震撼，看了以后讓人躍躍欲試，比如“大象的牙膏實驗”[1]。又有些實驗大膽新奇，操作要求干練迅速，看了以后想試卻又擔(dān)心安全，比如“鎂在干冰中的燃燒實驗”[2]。如果在自己實驗的過程中能夠借鑒這些視頻中的實驗設(shè)計，根據(jù)實驗原理，選擇試劑，通過將這些資源綜合利用，取長補短，分析各中原因，再加上臨場應(yīng)變也許會幫助自己解決實驗中的具體問題，并獲得較好的實驗效果。2014年10月，我們觀摩了在上海大境中學(xué)舉辦的上海-臺灣化學(xué)實驗及教學(xué)交流研討活動，深受臺灣與上海幾位優(yōu)秀教師的發(fā)言鼓舞。懷著探索實驗的心情，帶著平時教學(xué)中的一些問題，走進實驗室動手做了幾個實驗，使鎂條與二氧化碳反應(yīng)的趣味實驗獲得了成功。

1.1 靈感的來源——“大象的牙膏實驗”

在一定濃度的過氧化氫溶液加入適量的洗潔精，并混入一定量黃顏色的色素，然后將碘化鉀溶液迅速倒入盛著過氧化氫溶液的細口瓶中，不可思議的現(xiàn)象發(fā)生了：大量黃色的泡沫從瓶口涌出，源源不斷就像擠不完的牙膏，因為量多體積大，感覺像是給大象使用的一樣。化學(xué)原理很簡單，過氧化氫也即雙氧水，為氫和氧元素組成的一種化合物，碘化鉀是催化劑[3]，催化雙氧水的分解，分解生成的大量氧氣在逸出的過程中遇到洗潔精等發(fā)泡劑就會使泡沫噴涌而出。黃色的色素可有可無，只是為了使實驗擁有更好的視覺效果。筆者帶學(xué)生做趣味實驗，往往會對實驗有所延伸，實驗的延伸之一就是通過改變色素的顏色，使大象的牙膏實驗更加豐富有趣。實驗的延伸之二就是聯(lián)系初中實驗，過氧化氫中加入催化劑后生成了水和氧氣，而氧氣可以使帶火星的木條復(fù)燃。用帶火星的木條伸進這些充滿氧氣的泡沫中，復(fù)燃現(xiàn)象非常明顯。

1.2 瓶頸的限制——“鎂在干冰中的燃燒”

“鎂在干冰中的燃燒”實驗同樣令人詫異與震撼，但在網(wǎng)上的火爆程度遠不及“大象的牙膏實驗”，相關(guān)類似的模仿視頻也少了很多。筆者也不曾嘗試該實驗，分析可能原因：干冰作為二氧化碳的固體形態(tài)，在家庭或一般的中學(xué)實驗室不太會有，需要購買干冰。干冰易升華，需低溫儲存。如果保存在狹小密閉的空間內(nèi)，有可能瞬間噴發(fā)，其爆炸威力不可小覷。在取用的時候最好使用隔溫手套，尚需謹慎，以免凍傷[4]?？傊杀臏?zhǔn)備與儲存以及實驗過程中的安全問題成為限制這個神奇實驗進一步推廣的瓶頸。

1.3 學(xué)生的疑惑——二氧化碳可以滅火，鎂條著火可以用二氧化碳滅火嗎

告訴學(xué)生答案并叮囑學(xué)生記住答案往往是很蒼白無力的，最好進入實驗室，通過實驗讓他們留下深刻印象，以鞏固金屬鎂的化學(xué)性質(zhì)。如果用碳酸鈣和鹽酸來制取并收集二氧化碳，則要事先準(zhǔn)備好相應(yīng)的氣體發(fā)生裝置，實驗的過程時間將被拉長，操作比較復(fù)雜。既然將帶火星的木條伸進大象的牙膏里可以復(fù)燃，為何不試著將燃著的鎂條伸進大象的牙膏呢，要做的只是將泡沫里的氧氣換成二氧化碳而已。通過添加不同色素的方法雖然能獲得較好的實驗視覺效果，但往往會掩蓋一些反應(yīng)的事實真相，使學(xué)生對知識的理解產(chǎn)生偏差，所以就聯(lián)想到利用有顏色的試劑來增強實驗的可觀性。對有顏色的溶液、快速獲得二氧化碳氣體、豐富的泡沫、滅火這些因素進行分析，我們完成了“鎂在二氧化碳泡沫中燃燒”的實驗。

2 實驗的原理

2.1 泡沫的制備

水解呈酸性的金屬硫酸鹽或金屬鹽酸鹽和水解呈堿性的碳酸氫鹽相遇會發(fā)生強烈的化學(xué)反應(yīng)，在發(fā)泡劑洗潔精的助力下將產(chǎn)生大量夾雜著金屬氫氧化物沉淀的二氧化碳泡沫噴涌而出，因金屬氫氧化物沉淀的顏色不同而形成各種顏色的泡沫。這些泡沫充滿容器，并可以保持一段時間不塌陷。泡沫實際上起到了暫時固定、儲存二氧化碳氣體的作用。

3 實驗的步驟

（1）配制飽和的Al2（SO4）3溶液、CuSO4溶液、FeCl3溶液以及飽和的NaHCO3溶液。

（2）取一個100mL的燒杯或錐形瓶，加入少量洗潔精做發(fā)泡劑。

（3）取5mL飽和NaHCO3溶液倒入上述燒杯中，然后慢慢倒入飽和Al2（SO4）3溶液，讓水解反應(yīng)產(chǎn)生的泡沫漸漸充滿反應(yīng)容器[查閱數(shù)據(jù)：20℃時，碳酸氫鈉的溶解度為9.6g，估算出如果5mL飽和NaHCO3溶液完全反應(yīng)，將產(chǎn)生130mL左右的氣體，而100mL燒杯的容量一般不止100mL。20℃時，Al2（SO4）3的溶解度為36.4g，密度又比水大，按照反應(yīng)的化學(xué)方程式，只要少量就可以使 NaHCO3反應(yīng)完全，而過量一點也不會影響CO2的體積。要做的就是確保燒杯底部有少量的液體，而燒杯中絕大部分的體積應(yīng)該是充滿了CO2的泡沫，燃著的鎂條就可以全部浸沒在泡沫中。我們實驗Al2（SO4）3溶液的用量是10mL]。白色泡沫的制備效果見圖1。

（4）用燃著的火柴靠近泡沫上方，火柴熄滅。

（5）點燃打磨掉表面氧化膜的鎂條，并伸入泡沫中，鎂條劇烈燃燒生成白色的疏松的氧化鎂，并且在空氣中飛揚起來，在白色的泡沫中，Mg與CO2劇烈反應(yīng)后生成的黑色的炭清晰可見。同時由于燃燒釋放的熱量促進了鹽類的水解，又會有氣體產(chǎn)生，泡沫又會上升，可再次進行鎂條的燃燒實驗。實驗效果見圖2。

（6）將步驟（3）中的飽和Al2（SO4）3溶液改為飽和CuSO4溶液或者飽和FeCl3溶液，按照上述順序制備藍色的泡沫與紅褐色的泡沫，泡沫的制備效果見圖3、圖4，并進行鎂條在藍色泡沫與紅褐色泡沫中的反應(yīng)。實驗效果見圖5、圖6。

4 實驗后的反思

（1）試劑來源方便，Al2（SO4）3、NaHCO3、CuSO4、FeCl3是實驗室最常見的化學(xué)試劑。該實驗反應(yīng)條件不拘，操作簡單。配置飽和溶液不僅方便，也因為飽和溶液的濃度大，化學(xué)反應(yīng)速率快，也會使少量體積的溶液反應(yīng)得到較多的二氧化碳。反應(yīng)的容器除了選擇燒杯、錐形瓶以外，還可以變換容器的形狀，如平底燒瓶、量杯、量筒、試管等，當(dāng)然試劑用量應(yīng)做相應(yīng)調(diào)整。如果實驗中將兩種飽和鹽溶液同時倒入反應(yīng)容器中，則有瞬間迸發(fā)、反應(yīng)劇烈與出奇不意的效果。如果選擇先后倒入反應(yīng)容器進行反應(yīng)，則泡沫不致于噴涌而出，實驗桌面可以干凈有序一些。

（2）趣味化的實驗易于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，激活學(xué)生創(chuàng)造性的思維。本實驗整合了“大象牙膏”與“鎂在干冰中的燃燒”兩個實驗，使得實驗操作簡單、安全、有趣。在拓展課上做好“大象牙膏”實驗以及開發(fā)并完成本實驗后，興致正濃的老師和學(xué)生認為可以延伸出新的泡泡實驗組合，如氧氣的泡泡實驗、二氧化碳的泡泡實驗、少量氫氣的泡泡爆鳴實驗等。

（3）一個實驗往往承載很多的知識，如反應(yīng)物中一些鹽溶液的顏色、生成物金屬氫氧化物沉淀的顏色、鹽溶液的酸堿性、鹽類水解知識的應(yīng)用以及金屬鎂的化學(xué)性質(zhì)，當(dāng)然并不要求一一介紹，可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)段或已學(xué)的知識做一些取舍。

（4）通過演示鎂在二氧化碳中的反應(yīng)，使學(xué)生從中深刻體驗到一些實實在在的安全知識，如若鎂條著火，是絕對不能使用二氧化碳來滅火的。

（5）三個反應(yīng)的原理類似，現(xiàn)象卻不完全相同。白色泡沫中鎂條的燃燒，生成了黑色的碳，由于黑白對比，能清楚觀察到碳的生成；藍色泡沫中鎂條的燃燒，猶如海洋中的火焰，顏色賞心悅目；紅褐色泡沫中鎂條的燃燒最為劇烈。筆者認為FeCl3水解程度大，溶液酸性強，鎂條接觸泡沫的時候也生成了少量的氫氣，所以燃燒時有噗噗的聲音。因為有了顏色，視覺沖擊力更強，同時三個原理類似的實驗放在一起，使得原來的單個實驗形成了一個實驗組合，其產(chǎn)生的效果也是1+1+1>3。

（6）本實驗鎂條燃燒有耀眼的白光，對眼睛有一定的刺激性，建議不要多做，建議在后面的幾次燃燒實驗中戴好墨鏡觀察。

參考文獻：

[1] http：//v.youku.com/v_show/id_XMTYyMjUwMzMy.html.

[2] http：//www.fun.tv/vplay/v-3095295/？ptag=vsogou.

[3]姚子鵬主編.高級中學(xué)課本·化學(xué)拓展性課程（試用本）[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2008：219.

[4]葉燕珠，吳新建，張賢金，汪阿戀.幾個初中化學(xué)趣味實驗及相關(guān)探究課題[J].化學(xué)教學(xué)，2015，（1）：52～54.