镁带在空气中燃烧产物的实验探究
来源:用户上传
作者: 杨海丽
摘 要：通过几组实验对比，找到确定镁带燃烧产物的最合适的测量方法，并且通过数据处理，分析出镁带在空气中燃烧的主要产物是氧化镁的原因。
关键词：镁带；燃烧；实验探究；产物
中学化学教材中写得很清楚，镁带在空气中燃烧的产物是氧化镁。实际上，在空气中除了氧气还有大量氮气，那么镁带在空气中点燃，产物应该还有氮化镁。参加反应的氧气和氮气是否也是按空气中存在的质量比进行的？如果是这样，镁带燃烧的主要产物就应该是氮化镁了。鉴于上述原因，本人设计了下面几组实验，以探究镁带在空气中燃烧的产物。
一、实验原理
原理一：碱土金属活泼性略差，室温下这些金属表面缓慢生成氧化膜。它们在空气中加热才发生显著反应，除生成氧化物外，还有氮化物生成。
原理二：空气中氧气和氮气的质量比。
m（O2）：m（N2）=32×0.21∶28×0.78=6.72∶21.84=0.308
原理三：氮在高温时能与许多金属或非金属反应而生成氮化物如Mg3N2。这类氮化物大多是固体，化学性质活泼，遇水即分解为氨与相应的碱。
Mg3N2＋6H2O==3Mg（OH）2↓＋2NH3↑
二、实验用品
电子天平、镊子、石棉网、镁带、坩埚、火柴。
三、实验方案
让镁带在坩埚中燃烧，称量燃烧后剩余的产物质量。根据计算结果，推断空气中与镁带反应的氧气和氮气质量的比值，并与空气中氧气与氮气的质量对照，分析原因。
四、实验过程
1.实验操作
实验一：称取镁条M，放入坩埚中，将坩埚放在石棉网上，用电子天平测出质量m，用酒精灯加热，结果无现象，实验失败。说明镁带在加热的情况下反应没有明显实验现象。
实验二：称取适量镁条M，用镊子放入坩埚，将坩埚放在石棉网上，罩上烧杯，用电子天平测出质量m1。用火柴点燃，快速罩上烧杯，在通风恒温条件下等反应结束。冷却实验用品到室温，用电子天平测出质量m2。现象为烧杯内有耀眼白光，反应刚结束时烧杯内有浓烟，当降到室温时，烟仍未散尽。说明通过冷却密封的办法来称量镁带燃烧的所有产物，是不现实的。
由实验原理三知道，镁带在空气中燃烧生成氧化镁和氮化镁，氮化镁遇到空气中的水分就生成氢氧化镁和氨气，大量逸出的白烟就是新生成的氢氧化镁。如果实验能准确称量剩余的氧化镁，根据镁的总重量，就可以算出生成氮化镁的质量。
总结上述实验的不足，设计如下实验。
实验三：（1）用电子秤把坩埚和罩子的总质量测出m1。
（2）向坩埚中加入镁带，将坩埚放在石棉网上，再次测出总质量m2。
（3）点燃镁条,不用密闭。镁带剧烈燃烧，放出大量的白烟。
（4）等镁条完全燃烧后，大量白烟消去，冷却，测出总质量m3。
注意：镁带不能过多，因为太多镁带不能充分燃烧，影响实验结果；燃烧过程有烟产生，要有通风设备；称量要冷却在室温下，减少实验误差。
2.数据分析
第一组数据分析：m（O2）:m（N2）=1.65
第二组数据分析结果m（O2）:m（N2）=1.17（舍弃）
第三组数据分析结果m（O2）:m（N2）=1.75
实验平均值m（O2）:m（N2）=1.70
由实验原理二知道，空气中氮气的含量远远比氧气多，氧气的质量与氮气的质量比为0.308。总结上面实验数据知道，参加反应的氧气的质量比氮气的质量多。
3.理论解释
《无机化学简明教程》209页指出N的电负性为3.04，O的电负性为3.44，所以氧元素比氮元素非金属性更强。氮的电负性和氧的电负性很接近，但氧气要比氮气活泼得多，主要是因氮原子间形成的键能太大，N=N的键能为946 kJ/mol，O=O的键能为498 kJ/mol。而拆开这些键需要的能量很高，虽然氮气理论上也能与镁反应，但由于活泼性的限制，燃烧产物中氮化镁就很少了。
另外，镁也可以跟空气中的CO2反应生成氧化镁和碳。但实验中并没有观察到生成碳，原因是在空气中二氧化碳的体积仅占约0.03%、正四价碳的氧化性比氧氮弱，就算有少量反应物生成，氧也把它氧化了。
五、实验结论
镁带燃烧时，主要产物是氧化镁，同时产生的大量的白烟是氮化镁水解的产物氢氧化镁和氨气。
六、实验反思
由空气中氮气和氧气与金属镁反应的多少，得出在化学反应中，我们不能想当然地认为含量多的气体，反应就多，更重要的是要考虑气体自身的活泼性。
参考文献：
［1］王金龙.镁与氮气反应实验的设计［J］.中学化学，2006（3）:21.
［2］王祖浩.化学（必修）［M］.南京：江苏教育出版社，2005：56.
（作者单位 浙江省杭州市萧山区第九高级中学）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-1756526.htm
