鎂和氯化銨溶液反應(yīng)的探究

陳晨+馬宏佳

摘要：通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究了鎂在氯化銨溶液中與H+、H2O和NH4+的反應(yīng)情況，利用pH傳感器測(cè)量反應(yīng)過(guò)程中pH隨時(shí)間的變化，利用Logger Pro3.8.4軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，獲得了鎂與氯化銨溶液反應(yīng)機(jī)理的一些認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)證明，鎂與氯化銨溶液反應(yīng)首先與H+反應(yīng)；鎂可直接與水反應(yīng)不必經(jīng)由水電離的H+，即使在堿性條件下，鎂仍可以與水反應(yīng)。打破了傳統(tǒng)認(rèn)為“鎂能夠和氯化銨溶液持續(xù)反應(yīng)是因?yàn)槁然@水解呈酸性，水解產(chǎn)生的氫離子溶解了氫氧化鎂，使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行”的誤區(qū)。

關(guān)鍵詞：鎂；氯化銨溶液；反應(yīng)機(jī)理；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：1008-0546（2017）04-0087-03 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.04.030

一、問(wèn)題提出

把光亮的鎂帶置于蒸餾水中，常溫下即可看到鎂帶表面有氣泡產(chǎn)生，但是觀察不到持續(xù)的氫氣產(chǎn)生。一般認(rèn)為，這是因?yàn)殒V和水反應(yīng)產(chǎn)生的Mg（OH）2覆蓋在鎂的表面，阻止了鎂繼續(xù)和水反應(yīng)。若把光亮的鎂帶置于氯化銨溶液中，則持續(xù)有氣體產(chǎn)生。許多人認(rèn)為這是因?yàn)槁然@溶液的酸性溶解了表面的氫氧化鎂導(dǎo)致鎂持續(xù)和水反應(yīng)。對(duì)此，嚴(yán)宣申進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)：把光亮的鎂帶置于含2滴酚酞的氯化銨溶液中，可以觀察到有氣體產(chǎn)生（該氣體為氫氣）；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，溶液由無(wú)色變成粉紅色，隨后溶液顏色變深；期間不間斷地產(chǎn)生氫氣，只是產(chǎn)生氫氣的速度有所減慢；溶液變成紅色后仍可以產(chǎn)生氫氣[1]。嚴(yán)宣申據(jù)此得出結(jié)論：并不是因?yàn)槁然@溶液的酸性使鎂能夠和水持續(xù)反應(yīng)。在嚴(yán)宣申研究的基礎(chǔ)上，寧惠麗、周開(kāi)雄、汪五一、楊華麗[2-5]等人相繼通過(guò)實(shí)驗(yàn)或者理論推導(dǎo)，提出了產(chǎn)物除氫氣、氫氧化鎂以外還有氨氣等觀點(diǎn)，但是對(duì)鎂與氯化銨溶液反應(yīng)的過(guò)程或機(jī)理解釋不盡相同。

教學(xué)實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)，許多學(xué)生認(rèn)為鎂能夠和氯化銨溶液持續(xù)反應(yīng)是因?yàn)槁然@水解呈酸性，鎂與水解產(chǎn)生的氫離子反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，這種觀點(diǎn)也為許多教師所認(rèn)同，在有些教學(xué)參考資料上也有類(lèi)似解釋[6]。

那么鎂放入氯化銨溶液中，反應(yīng)的過(guò)程究竟是怎樣的？我們借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中的pH傳感器、溫度傳感器和數(shù)據(jù)分析功能，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論分析。

二、研究過(guò)程

問(wèn)題1：鎂是先與H+反應(yīng)嗎？

NH4Cl溶液中主要存在H+和大量H2O，鎂加入后，是先與水合H+反應(yīng)，還是先被大量H2O包圍，與H2O反應(yīng)？為了研究這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了如下兩組實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)①：30mL 1mol/L NH4Cl溶液+0.2g Mg粉，測(cè)定反應(yīng)中溶液pH隨時(shí)間的變化；

實(shí)驗(yàn)②：30mL 1mol/L CH3COONH4溶液+0.2g Mg粉，測(cè)定反應(yīng)中溶液pH隨時(shí)間變化。

這兩組實(shí)驗(yàn)的區(qū)別在于H+濃度不同，1mol/L NH4Cl溶液pH=4.39，c（H+）=4.07×10-5、1mol/L CH3COONH4溶液pH=7.63，c（H+）=2.34×10-8，而NH4+濃度基本相同。

實(shí)驗(yàn)①、②結(jié)果如下圖：

（把反應(yīng)分成兩個(gè)階段：pH迅速上升的階段記作階段Ⅰ，pH上升緩慢的階段記作階段Ⅱ。）

實(shí)驗(yàn)①、②結(jié)果分析：

從圖2數(shù)據(jù)可知，20s～40s之間是反應(yīng)主要發(fā)生時(shí)間段。在此階段，鎂與氯化銨反應(yīng)曲線的斜率明顯大于與醋酸銨反應(yīng)，說(shuō)明單位時(shí)間內(nèi)，鎂與氯化銨溶液反應(yīng)時(shí)H+濃度的變化明顯大于與醋酸銨反應(yīng)的變化，也就是說(shuō)，鎂與1mol/L NH4Cl溶液的反應(yīng)速率明顯大于鎂與1mol/LCH3COONH4溶液的反應(yīng)速率。這二者中，NH4+濃度、H2O的量是基本相同的，不同的只是H+濃度，H+濃度大的，反應(yīng)速率快，因此可以認(rèn)為：鎂是先和H+反應(yīng)的。

會(huì)不會(huì)是因?yàn)镃l-的存在加快了鎂與氯化銨溶液的反應(yīng)速率呢[7]？為回答這一問(wèn)題，我們又做了實(shí)驗(yàn)③：在CH3COONH4溶液中加入1mol/L Cl-，再與鎂反應(yīng)，測(cè)定pH變化。

將實(shí)驗(yàn)③結(jié)果與實(shí)驗(yàn)①、②結(jié)果合并，得圖3：

由圖可見(jiàn)，CH3COONH4溶液中有Cl-存在時(shí)，反應(yīng)速率仍不如Mg與NH4Cl溶液的快。因此可知，Cl-的影響可以被排除，還是因?yàn)镠+濃度大，反應(yīng)速率快。由此，進(jìn)一步肯定了上述結(jié)論：鎂粉加入氯化銨溶液，鎂首先與H+反應(yīng)。

問(wèn)題2：鎂可與水直接反應(yīng)嗎？

接下來(lái)考慮鎂和氯化銨溶液反應(yīng)過(guò)程中水的作用機(jī)理。鎂和水直接反應(yīng)，還是必須經(jīng)由水電離出的H+？為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)④：30mL蒸餾水+0.2g Mg粉。測(cè)定反應(yīng)中溶液pH隨時(shí)間的變化。

實(shí)驗(yàn)⑤：30mL蒸餾水+稀NaOH溶液+0.2g Mg粉。測(cè)定反應(yīng)中溶液pH隨時(shí)間的變化。

實(shí)驗(yàn)④、⑤結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5：

實(shí)驗(yàn)④、⑤結(jié)果分析：

由圖④、⑤可知，鎂與水反應(yīng)，溶液的pH持續(xù)升高，最高值大約為11；即使在堿性條件下，鎂仍然繼續(xù)與水發(fā)生反應(yīng)。此時(shí)，溶液中水的電離是受到很大抑制的，據(jù)此，我們推測(cè)：鎂可以直接與水反應(yīng)，不一定經(jīng)由電離產(chǎn)生的H+。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)①：0.2g Mg粉與1mol/L NH4Cl溶液反應(yīng)，觀察實(shí)驗(yàn)裝置和pH曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溶液顯堿性時(shí)，溶液中仍持續(xù)產(chǎn)生氣泡，且存在大量未反應(yīng)完的灰黑色鎂粉（圖6-A），反應(yīng)結(jié)束后鎂粉全部消耗，只有白色沉淀Mg（OH）2（圖6-B），說(shuō)明當(dāng)反應(yīng)體系中有鎂粉存在時(shí)，即使溶液呈堿性，反應(yīng)還是在進(jìn)行的。這與嚴(yán)宣申先生的發(fā)現(xiàn)：“鎂與滴有酚酞的氯化銨溶液反應(yīng)，溶液顯粉紅色，并逐漸加深”也是一致的。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果也說(shuō)明，堿性條件下，鎂仍然可以和水反應(yīng) 。從電極電勢(shì)的角度也可以證明：

Mg2++2e-[=]Mg Eθ[=]-2.363V

2H++2e-[=]H2↑ Eθ[=]0V

2H2O+2e-[=]H2↑+2OH- Eθ[=]-0.828V

酸性條件下，水的電極電勢(shì)比鎂高2.363V，可以把Mg氧化為Mg2+；中性或者堿性條件下，水的電極電勢(shì)比鎂高1.543V，仍然可以把Mg氧化為Mg2+。進(jìn)一步肯定我們的推測(cè)：鎂可以直接與水反應(yīng)，不一定經(jīng)由電離產(chǎn)生的H+。

我們還發(fā)現(xiàn)，鎂與氯化銨溶液反應(yīng)最后的沉淀并不溶于NH4Cl（取適量反應(yīng)結(jié)束后的懸濁液于試管，加入NH4Cl固體，沉淀不溶解，圖6-C），說(shuō)明“鎂與氯化銨反應(yīng)快是因?yàn)樯傻臍溲趸V溶解于氯化銨”的說(shuō)法并不可靠。

問(wèn)題3：NH4+能加快反應(yīng)嗎？有氨氣生成嗎？

關(guān)于鎂與氯化銨的反應(yīng)分析到這里只剩NH4+了，鎂在氯化銨溶液中和氫離子、水都會(huì)反應(yīng)，銨根離子會(huì)加快反應(yīng)嗎？反應(yīng)有氨氣生成嗎？為了解決這一問(wèn)題，比較了上述實(shí)驗(yàn)②和④反應(yīng)中溶液pH-時(shí)間變化圖。

實(shí)驗(yàn)②：30mL 1mol/L CH3COONH4溶液+0.2g Mg粉。

實(shí)驗(yàn)④：30mL蒸餾水+0.2g Mg粉。

這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的區(qū)別在于是否存在NH4+，且兩溶液均為中性，控制了pH相同。如果兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的曲線近乎重合且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相似，說(shuō)明NH4+對(duì)反應(yīng)的影響不大，鎂不和NH4+反應(yīng)；反之NH4+參與反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

圖7顯示鎂和水反應(yīng)比鎂和CH3COONH4溶液反應(yīng)更劇烈（圖中顯示為斜率更大），說(shuō)明NH4+在反應(yīng)速率上的貢獻(xiàn)不大。但是鎂和氯化銨溶液反應(yīng)開(kāi)始時(shí)用濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙檢測(cè)生成的氣體，發(fā)現(xiàn)試紙變藍(lán)色，且整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中用濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙檢測(cè)，試紙均變藍(lán)色（圖6-D），說(shuō)明反應(yīng)過(guò)程中持續(xù)有氨氣產(chǎn)生。由于反應(yīng)開(kāi)始階段溫度上升明顯，反應(yīng)后期溶液堿性增大，推測(cè)反應(yīng)中氨氣的產(chǎn)生可能與這兩個(gè)因素有關(guān)。

三、小結(jié)

綜合以上分析，我們發(fā)現(xiàn)：鎂與氯化銨溶液反應(yīng)首先與H+反應(yīng)；鎂可直接與水反應(yīng)不必經(jīng)由水電離的H+，即使在堿性條件下，鎂仍可以與水反應(yīng)；NH4+不加快鎂與水的反應(yīng)；鎂與氯化銨溶液反應(yīng)持續(xù)有氨氣放出；鎂與氯化銨溶液反應(yīng)，前階段主要發(fā)生和氫離子的反應(yīng)，后階段主要發(fā)生和水的反應(yīng)。

通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，可以比較直觀地分析出鎂和氯化銨溶液反應(yīng)的內(nèi)在過(guò)程及其產(chǎn)物，將不可視的過(guò)程可視化，打破了“鎂能夠和氯化銨溶液持續(xù)反應(yīng)是因?yàn)槁然@水解呈酸性，水解產(chǎn)生的氫離子溶解了氫氧化鎂，使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行”的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，得到了對(duì)鎂與氯化銨溶液反應(yīng)機(jī)理的一些認(rèn)識(shí)。

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