空氣中鎂燃燒時白煙的成分與成因探究

摘要：以實證方式探究了金屬鎂在空氣中燃燒時生成大量白煙的組成，介紹了三種使鎂在空氣中燃燒生成較多黃色氮化鎂固體的切實可行的實驗方法，并對Na、Mg、Al、Fe、cu等金屬單質燃燒時在能否成煙問題上現象迥異的原因進行了探析。

關鍵詞：鎂的燃燒；白煙；氮化鎂

文章編號：1005-6629(2012)8-0051-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 提出問題

在初中化學學習時我們就已掌握，鎂是一種活潑的金屬，容易與非金屬單質、酸等物質發生反應。其中，在空氣中點燃鎂條的實驗現象我們耳熟能詳：劇烈燃燒，發出耀眼的白光，同時生成大量白煙。

新版高中《化學1》(必修)教材中安排了“鎂的提取及應用”的教學內容，課后我們幾位學生激烈地討論了課上鎂條在空氣中燃燒的現象，大家都很困惑，實驗過程中生成的白煙的成分是什么?為什么鎂的燃燒會白煙裊裊，而鋁、鐵等金屬單質燃燒卻似乎并不明顯?在化學老師的鼓勵、支持和指導下''我們利用周末等課余時間走進實驗室，對鎂條在空氣中燃燒的實驗進行深入探究。

2 探究過程

2.1 白煙成分探究

眾所周知，金屬鎂除能與氧氣反應外，也能與空氣中的N₁反應生成氮化鎂，與CO₂反應產生氧化鎂與單質碳，即：3Mg+N₂＝Mg3N₂，2Mg+CO₂＝2MgO+C。其中，氮化鎂為黃色固體，極易與水反應生成Mg(OH)和NH₃。

2.1.1 成分猜想

鎂是一種活潑的金屬，在空氣中燃燒后的固體產物中除氧化鎂外，可能含有氮化鎂和碳。收集空氣中鎂燃燒產生的白煙，與水(或酸)混合，若能檢測到NH₃(或NH₄)，則能證明白煙中有氮化鎂；若有不溶于水(或稀酸)的黑色固體，則說明含碳。

2.1.2 實驗探究

(1)實驗室的鎂帶因長期放置在空氣中，表面氧化生成了一層灰黑色物質堿式碳酸鎂【Mg₂(OH)₂CO₃】。做燃燒實驗時，把鎂帶先用砂紙擦亮去除表面氧化膜，再用剪刀將其中一端按圖1中方式(任選其一)剪裁，這樣處理有助于快速點燃鎂帶并充分燃燒。

(2)如圖2所示裝置。三腳架上放一薄鋼片，將點燃的鎂帶放在鋼片上后立即在上面倒扣上一個三角漏斗。仔細觀察鎂的燃燒情況。適時把漏斗提上(使空氣進入)再放下，以調節空氣的量，使鎂條充分燃燒。燃燒過程中，若在漏斗口放一濕潤的紅色濕潤試紙，顏色變為淡藍紫色，說明有少量堿性氣體NH₃生成。

(3)重復步驟(2)操作約3－4次，漏斗內壁附著的固體粉末已較厚。仔細觀察粉末色態，為白色蓬松狀，并未夾雜黑色(炭)顆粒。用藥匙刮取約2 g固體，加適量蒸餾水，片刻后管口處濕潤的紅色石蕊試紙變淡藍色，振蕩試管仍為白色濁液；繼續向上述試管加稀鹽酸，不產生氣泡，溶液逐漸澄清；若再用NaOH溶液調節澄清液pH至堿性，出現大量白色的氫氧化鎂沉淀，加鎂試劑(對硝基苯偶氮苯二酚，紫紅色)2—3滴呈藍色。結果說明，樣品中含大量MgO，并含少量Mg₃N₂。

(4)若改用鎂粉代替鎂條重復實驗，除鎂粉燃燒更劇烈、紅色石蕊試紙變色相比更明顯外，其余現象均同上。即無論鎂粉還是鎂條，在空氣中燃燒的產物一致。

2.1.3 探究結論

綜上實驗表明，鎂在空氣中燃燒時主要是與氧氣化合生成氧化鎂，空氣中含量最高但化學性質相對穩定的氮氣在該實驗條件下反應的量較少，且生成的氮化鎂還會部分與空氣中存在的少量水蒸氣繼續快速反應產生NH₃(使濕潤的紅色濕潤試紙變色)，即較高溫度下Mg₃N₂+3H₂O(g)=3MgO+2NH₂，導致最終產物中氮化鎂含量較低。故而，我們看到的固體產物都千篇一律為純白色。還需指明的是，空氣中CO₂含量極低，受實驗條件所限，我們的實驗中并未觀察到產物中含單質碳的直接證據。

在實驗探究過程中我們也發現，若要使鎂在空氣中燃燒生成可見的氮化鎂黃色固體，就必須要盡量減少鎂與氧氣的接觸，讓鎂繼而能與氮氣充分反應。實驗證明，用下面幾種方法來制黃色氮化鎂固體的效果比較理想。

(1)裁剪一張約6 cm×4 cm大小的方形薄鋁片，卷成一端封閉的圓筒狀。向鋁筒中加入約1 g鎂粉，然后將筒口壓成扁平的細口狀(不密封，只為減少空氣對流)。用坩堝鉗夾持，用酒精燈充分加熱致其燃燒，筒口處有強光和白煙，實驗裝置見圖3(a)。待燃燒完全并冷卻至室溫后，打開鋁筒得夾雜有少量白色粉末的黃色固體顆粒。若向黃色固體上滴蒸餾水(或氫氧化鈉溶液)，有濃郁的氨臭味。實驗結果說明產物中有較多的Mg₃N₂。

(2)在石棉網上放一鐵坩堝，加入1 g鎂粉，用點燃的鎂條(長約2 cm)接觸鎂粉將鎂粉引燃。有白光產生，鎂粉能保持一段時間的紅熱狀態。在鎂粉的紅熱即將褪盡時，蓋上坩堝蓋。反應結束待冷卻至室溫后，打開坩堝蓋可得產物是夾雜有白色顆粒的黃色固體顆粒，滴蒸餾水(或氫氧化鈉溶液)，有明顯的氨臭味。說明產物中Mg₃N₂含量較多。

(3)按圖3(b)，取一根一端已封閉的硬質玻璃管(或硬質試管)，另一端連一氣球，玻璃管內放1 g鎂粉，略傾斜放置并固定。用酒精燈集中加熱鎂粉致其燃燒，管內有強光和白煙。實驗結束后氣球變癟，玻璃管內得夾雜有白色顆粒的黃色固體，滴蒸餾水(或氫氧化鈉溶液)，氨臭味明顯，可使濕潤的紅色石蕊試紙變藍。實驗現象表明產物中含較多的Mg₃N₂。

2.2 白煙成因探析

為進一步洞悉鎂在空氣中燃燒會產生大量白煙的原因，我們研究小組在回顧其他一些常見金屬單質燃燒特點的基礎上，進行了多次重復實驗，并仔細觀察、對比相關實驗現象。

實驗1：按上圖2裝置，在薄鋼片上擱放黃豆粒大小的一塊金屬鈉，加熱至熔化，待鈉球有星火閃現燃燒時，移走酒精燈，立即倒扣上一個漏斗。仔細觀察鈉燃燒情況，適時把漏斗提上、放下，以調節空氣量使鈉緩慢而持續地燃燒，漏斗內有白煙。反復多次收集、加熱這些白煙，并不見有加熱Na₂O₂那樣顏色有淡黃－黃－橙黃－棕黃變化的現象發生，但白煙溶于水呈堿性，說明白煙的主要成分是Na₂O(當然不排除可能會有少量Na₂O₂)

實驗2：在石棉網上將2 g鋁粉堆成長條形，用酒精燈給一段加熱至燃，再移開酒精燈，鋁粉發出耀眼白光，但白煙極少。若將鋁粉換為鋁片或鋁箔，在空氣中很難點燃，而在氧氣中燃燒劇烈，白光耀眼，生成白色固體(Al₂O₃)，但燃燒過程中并無明顯的煙。

實驗3：用排水法收集滿一集氣瓶氧氣(在空氣中無法點燃鐵絲)，鐵絲一端纏繞綠豆大小的木炭作引燃物，點燃后放人集氣瓶。鐵絲燃燒劇烈、快，伴有輕微爆鳴聲，火星四射(無煙)，集氣瓶底部有黑色固體(Fe₃O₄)。

實驗4：將光亮的紅色細銅絲在空氣中充分加熱，銅絲表面變黑；在氧氣中加熱也會變黑，但沒有發光發熱的劇烈的燃燒現象。

實驗5：制備并收集氯氣。將不同的金屬單質加熱，放人盛有氯氣的集氣瓶中，觀察實驗現象。各金屬在氯氣中的燃燒情況見下表。

實驗1-5的事實表明，鈉、鎂、鋁、鐵、銅在氯氣中劇烈燃燒的同時都會產生大量的煙，而在空氣(或氧氣)中點燃時實驗現象則各異，僅有金屬鈉、金屬鎂會產生白煙，其他金屬生“煙”現象不明顯。我們查看了這些金屬及燃燒產物的一些理化性質與數據(見下表2、表3)。

通過仔細對比分析以上實驗結果與文獻數據，我們認為金屬在氣體中燃燒時能否成“煙”，其原因除金屬本身活動性有一定影響外，主要與金屬單質的沸點和純度、“煙”的相對密度和熔點等因素緊密相關。

在各金屬單質遇氧氣氧化過程時，會釋放出大量的熱，促使溫度快速升高而發光。其中金屬Na、Mg由于本身洗點相對較低，固體表面原子會發生劇烈氣化，會進入空氣中迅速氧化成相對密度較小的氧化物，從而形成大量飄浮在空中的煙：金屬Al、Cu在與氧氣反應時，因金屬沸點高、原子氣化困難，只在金屬表面發生氧化，再者，由于新生成的氧化物熔點高、相對密度大，又無法脫離固體表面逃逸進入空氣，因此我們也就無法觀察到肉眼可視的“煙”了。如果有了這樣的認識，我們也就不難理解，在氯氣中點燃這些金屬單質時，為什么包括Al、Fe、Cu等單質在內都會形成大量的煙。即這些單質本身沸點雖很高，但由于生成的金屬氯化物熔沸點較低，因此在氯氣中燃燒時照樣會脫離固體表面而出現明顯的生“煙”現象。

而至于鐵在氧氣中燃燒為什么會不同尋常地出現“火星四射”的現象，則是與金屬本身純度有關。我們知道，工業上生產鈉、鎂、鋁一般采用電解法，鐵和銅則是高溫冶煉法，其中銅還會繼續電解精煉。正是這些金屬冶煉方法上的差異決定了單質鈉、鎂、鋁、銅的產品通常都相對較純，特別是含碳量極低，而鐵中的碳含量則較高(通常高于2％)。因此，我們在點燃鐵絲時，雜質碳也會被氧化為二氧化碳，而二氧化碳氣體的生成就會推動周圍熔化物向四周飛濺，導致“火星四射”。

參考文獻：

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