鎂條燃燒制備氮化鎂的簡(jiǎn)易方法研究

王彥軍 施彩娟

摘要：介紹了用鎂條與空氣中的氮?dú)夥磻?yīng)制備氯化鎂的實(shí)驗(yàn)方法，裝置簡(jiǎn)單，操作便捷，現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)可在2min內(nèi)完成，十分適合于課堂演示。并通過(guò)熱力學(xué)分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物中“氮化鎂”表層出現(xiàn)的“外白內(nèi)黃”現(xiàn)象進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

關(guān)鍵詞：氮化鎂;鎂條：空氣;實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)：1008-0546（2019）05-0089-03

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.05.028

一、問(wèn)題的提出

蘇教版《化學(xué)1》“鎂的提取和應(yīng)用”Ⅲ介紹了鎂能與空氣中的氧氣、氮?dú)?、二氧化碳反?yīng)，然而課堂演示實(shí)驗(yàn)“鎂條在空氣中燃燒”，常規(guī)操作往往只能看到比較熟悉的白色固體氧化鎂，學(xué)生對(duì)黃色固體氮化鎂卻很陌生。但教材中并沒(méi)有鎂與氮?dú)夥磻?yīng)的演示實(shí)驗(yàn)，因此學(xué)生缺少必要的感性認(rèn)識(shí)，不利于學(xué)生對(duì)該知識(shí)的理解。如果通過(guò)系列實(shí)驗(yàn)制備純凈氮?dú)馀c鎂粉反應(yīng)，固然能夠得到氮化鎂，然而，這樣的實(shí)驗(yàn)流程繁瑣且費(fèi)時(shí)，顯然不適合課堂演示。

代冬梅、丁偉利用圖1裝置控制空氣對(duì)流，《高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與研究》中利用圖2裝置控制對(duì)流，其原理均是利用過(guò)量鎂粉在不對(duì)流的空氣中燃燒（鎂條引燃），耗盡氧氣后制得氮化鎂。筆者按照上述方法反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)雖然能夠成功制得氮化鎂，但是黃色固體量很少，而且鎂條引燃過(guò)程中會(huì)有大量鎂粉噴散且燃燒不充分，并有鎂粉混雜在產(chǎn)物中，效果不是最理想。

筆者經(jīng)多次嘗試，設(shè)計(jì)了一種較為理想的實(shí)驗(yàn)方法，簡(jiǎn)單快捷，現(xiàn)象明顯。

二、實(shí)驗(yàn)原理

在空氣中，鎂主要是與活潑的氧氣反應(yīng)，而與氮?dú)夥磻?yīng)的程度很弱;如若控制空氣不對(duì)流，消耗掉了空氣中的氧氣后，則過(guò)量的鎂與氮?dú)獾姆磻?yīng)將占到主要作用。涉及的化學(xué)反應(yīng)如下：

三、實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

蒸發(fā)皿、200mL燒杯、坩堝鉗、鎂條、酒精燈、酚酞試液、紅色石蕊試紙、試管、石棉網(wǎng)。

四、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

1.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）取6cm長(zhǎng)鎂條（過(guò)量），打磨光亮，折成z形，使3片等長(zhǎng)鎂條緊貼。

（2）取蒸發(fā)皿置于石棉網(wǎng)上，準(zhǔn)備好200mL燒杯，燒杯口剛好能扣住蒸發(fā)皿內(nèi)壁最佳（防止空氣對(duì)流）。

（3）用坩堝鉗夾持鎂條，引燃后立即移到蒸發(fā)皿上方，用燒杯罩住蒸發(fā)皿，使鎂條與外界空氣近乎隔離，待鎂條快燃盡時(shí)松手移出坩堝鉗，如圖3。

（4）靜置、冷卻后取下燒杯，用鑷子或剪刀撥開(kāi)片狀鎂條灰燼，觀察現(xiàn)象，如圖4。

（5）將燃燒生成物取少量置于試管中，加入適量水，向試管內(nèi)滴加酚酞試液，觀察現(xiàn)象，再將潤(rùn)濕的紅色石蕊試紙置于試管口，觀察試紙是否變色，如圖5。

2.實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵點(diǎn)

（1）鎂條過(guò)量且多片折疊，過(guò)量鎂條一方面消耗掉氧氣，同時(shí)產(chǎn)生高溫，為氮?dú)夂玩V條反應(yīng)提供能量。

（2）選擇合適大小的燒杯罩住蒸發(fā)皿，阻隔空氣交換。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與解釋

1.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及產(chǎn)物成分分析

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，過(guò)量鎂條在“密閉”空間內(nèi)燃燒過(guò)程中，發(fā)出耀眼的白光，產(chǎn)生大量白煙（燒杯罩牢，不會(huì)外泄），燒杯內(nèi)壁附著一薄層白色固體，蒸發(fā)皿內(nèi)固體產(chǎn)物呈片狀褶皺，幾乎保持三片鎂條緊靠原型，其中最外側(cè)表層呈白色（如圖6），內(nèi)側(cè)及夾層處有大量黃色氮化鎂固體生成（如圖7）。

（1）燃燒產(chǎn)物中Mg3N2的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

取一片燃燒產(chǎn)物（黃色固體）于試管中，加適量蒸餾水，立即聽(tīng)到嘶嘶的響聲，可見(jiàn)氮化鎂劇烈水解，在試管口處用濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙檢驗(yàn)，試紙變藍(lán)，再向試管內(nèi)滴加酚酞，溶液明顯變紅，且試管底部有白色固體沉積，正是氮化鎂的水解生成的氫氧化鎂和原燃燒產(chǎn)物中的氧化鎂（如圖8）。

（2）燒杯內(nèi)壁上白色固體的成分分析

用藥匙刮取燒杯內(nèi)壁上白色固體少許于試管中，重復(fù)上述操作，發(fā)現(xiàn)滴加酚酞后溶液略顯粉紅，在試管底部有固體沉積，而試管口處的濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙未變藍(lán)色，由此我們猜測(cè)燒杯內(nèi)壁附著的白色固體成分為MgO和少量Mg3N2，因?yàn)镸g3N2量很少，所以水解產(chǎn)生的Mg（OH）2和NH3的量也很少，這似乎可以完美的解釋上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。但事實(shí)真的是這樣嗎？上述反應(yīng)是在近乎密閉的空氣中發(fā)生的，也就是說(shuō)與鎂條反應(yīng)的氮?dú)饪隙ǘ嘤谘鯕猓敲床聹y(cè)Mg3N2量很少顯然是不合理的。

事實(shí)上，附著在燒杯內(nèi)壁上白色固體是由鎂條燃燒產(chǎn)生的“白煙”沉積而成，而“煙”的形成又主要與金屬單質(zhì)的沸點(diǎn)、純度和“煙”的相對(duì)密度、熔點(diǎn)等因素有關(guān)。查閱文獻(xiàn)數(shù)據(jù)可知金屬鎂的沸點(diǎn)為1170°C，鎂條在相對(duì)封閉的空氣中燃燒時(shí)固體表面原子會(huì)劇烈氣化，因此很容易被氧化成相對(duì)分子量較小的MgO和Mg3N2，從而形成漂浮在空氣中的“白煙”。又因?yàn)椤鞍谉煛敝蠱g3N2極易水解，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)空氣中H2O量是必須要考慮的因素。至此我們可以得出近乎合理結(jié)論：燒杯內(nèi)壁附著的白色固體在相對(duì)濕度較大的環(huán)境中主要是Mg（OH）2和MgO;而在相對(duì)干燥的環(huán)境中主要是Mg3N2和MgO。筆者查閱氣象資料顯示，實(shí)驗(yàn)當(dāng)天浙江海鹽地區(qū)空氣的相對(duì)濕度在65%（中午）～83%（傍晚），綜合上述分析便可對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做出完美的解釋。

需要指明的是，在不對(duì)流的空氣中CO2的含量極低，受實(shí)驗(yàn)條件所限，本實(shí)驗(yàn)中并未觀察到產(chǎn)物中含單質(zhì)碳的直接證據(jù)。

2.產(chǎn)物外側(cè)表層“白色固體”成因分析

按照上述步驟反復(fù)實(shí)驗(yàn)，所得產(chǎn)物始終會(huì)出現(xiàn)“外白內(nèi)黃”現(xiàn)象，嘗試用3根等長(zhǎng)鎂條，分別以單片、雙片（對(duì)折）、三片（z形）同樣操作完成實(shí)驗(yàn)，單片鎂條燃燒產(chǎn)物表面幾乎呈白色，只有少許氮化鎂外漏，而多片鎂條燃燒產(chǎn)物“外白內(nèi)黃”，有大量黃色固體存在。分析可能原因?yàn)椋?/p>

（1）反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生“白煙”冷凝后覆蓋在產(chǎn)物表面所致。

分析上述數(shù)據(jù)，很容易發(fā)現(xiàn)氮化鎂燃燒為低溫自發(fā)反應(yīng)，即氮化鎂在高溫有氧環(huán)境中會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為氧化鎂，而要由氧化鎂和氮?dú)庠倌嫦蜣D(zhuǎn)化生成氮化鎂，條件要求則很高，反轉(zhuǎn)溫度需要達(dá)到10917K，也就是說(shuō)該反應(yīng)可逆性很差，氮化鎂不小心就會(huì)被氧氣氧化，而氮化鎂一旦被氧化，則不會(huì)再逆向轉(zhuǎn)化得到氮化鎂。

綜上分析，產(chǎn)物外側(cè)表層“白色固體”成因，被“白煙”覆蓋的可能性較小，因內(nèi)層都是黃色固體，而過(guò)程中白煙是持續(xù)產(chǎn)生的，這與表層白色“很薄”似乎說(shuō)不通。氣象資料顯示，實(shí)驗(yàn)當(dāng)時(shí)浙江海鹽空氣濕度為70%，結(jié)合理論研究和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析為“白色固體”成因（2）、（3）可能性更大。由于實(shí)驗(yàn)條件所限，尚未做熱重法等精確分析。

六、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的意義

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)：儀器簡(jiǎn)單、操作便捷、現(xiàn)象明顯，十分適合課堂演示或?qū)W生實(shí)驗(yàn)，建議在教材中增加氮化鎂制備的演示實(shí)驗(yàn)。

我們一直強(qiáng)調(diào)核心素養(yǎng)導(dǎo)向的課堂教學(xué)，實(shí)驗(yàn)無(wú)疑是化學(xué)課堂上核心素養(yǎng)落地的有效載體。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)燒杯來(lái)阻隔空氣交換，間接改變鎂條燃燒的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了氮化鎂制備實(shí)驗(yàn)與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的直觀性、對(duì)比性、探究性和簡(jiǎn)約性。潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的變化觀念和問(wèn)題意識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新和基于數(shù)據(jù)演繹的證據(jù)推理，讓學(xué)生在思考與實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)素養(yǎng)達(dá)成。