鎂和稀鹽酸反應異常現象的探究

黃圖倫

摘要：對足量鎂和稀鹽酸反應出現灰白色渾濁的異常現象進行探究，提出沉淀成分可能為氯化鎂、細顆粒鎂粉或氫氧化鎂等多種假說；最終實證分析認定，固體產物是不同化學組成的堿式氯化鎂的混合物。經此探究得出的啟示是：（1）教材中鎂與酸的實驗選用稀硫酸的做法是合理的，實際教學中不宜隨意更換；（2）實驗教學應充分利用好異常現象這一資源，設計開展學生參與的交流和探究活動，促進學生思維的深層次發展。

關鍵詞：鎂；稀鹽酸；稀硫酸；異常現象；實驗教學

文章編號：1005–6629（2016）3–0064–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

現行初、高中化學教材都設置有較活潑金屬與稀鹽酸或稀硫酸反應置換氫氣的實驗，如蘇教版高中《化學1》必修教材[1]在探討鎂的化學性質時就設置了鎂與稀硫酸的反應：在一支試管中放入一小段擦去氧化膜的鎂條，再向試管中加入一定量的稀硫酸，觀察現象。

在開展學生分組實驗時，因實驗室稀硫酸備存量不足，實驗員臨時選擇了稀鹽酸替代。教學中有學生報告，試管中出現了灰白色沉淀！筆者課后讓該同學重演了整個實驗過程：用一小試管，取 4mL 0.1 mol·L-1稀鹽酸，加入一段長約4cm的去除氧化膜的鎂帶，靜置片刻，沉淀果然如期而至！

一個看似很簡單的中學實驗，為什么會出現如此異常現象？對此，課下師生們又一起對該實驗進行了更深入的研究。

實驗1 4支小試管各取4mL 0.1 mol·L-1稀鹽酸，再分別加入一定長度的已去除氧化膜的鎂帶，靜置并觀察現象，比較沉淀的生成量。結果見表1。

結論：實驗1說明一定量稀鹽酸與少量金屬鎂反應并不出現異常現象，但增加鎂帶用量，在其溶解產生氣泡的同時，會伴有灰白色（或白色）的沉淀生成。可見，鎂用量的多少是決定體系是否出現異常的原因。

那么，灰白色物質到底是什么？為弄清成因，學生進行了激烈討論，最后形成了3種代表性意見，然后據此設計相關實驗進行驗證。

2.1 觀點1：氯化鎂晶體析出

有學生認為，由于金屬鎂用量較多，反應后氯化鎂的生成量偏多，在溶液中可能因過飽和而析出。由《化學辭典》[2]查得，氯化鎂為無色三方晶系晶體，100g水中溶解的量為54.8g（20℃）、73.0g（100℃）。說明常溫下氯化鎂極易溶于水，即使是20℃下的飽和溶液濃度也可超過5 mol·L-1。

實驗2 將實驗1中D試管久置，傾析法倒去上層溶液得灰白色沉淀，然后加入5mL蒸餾水，充分振蕩靜置，沉淀量未減少。若用小試管取等質量氯化鎂固體（分析純），加等量蒸餾水，稍振蕩即全部溶解得澄清溶液。

可見，氯化鎂易溶于水，而灰白色生成物溶解性則相對要差得多，觀點1不足為信。

2.2 觀點2：反應后鎂粉剩余

若做過鋁箔與鹽酸反應的實驗，如下現象可能并不陌生：劇烈反應，氣泡上竄，溶液變渾濁，有大量淺灰白色沉淀生成。很多學者[3，4]證實，該淺灰白色物質能與酸或強堿反應，并有微量氣泡放出。由此認識到，灰白色懸濁物應含有細顆粒狀的鋁，產生原因是反應太劇烈而從鋁箔表面脫落所致。那么，足量鎂與稀鹽酸反應后的灰白色沉淀是否也是鎂粉細顆粒呢？

實驗3 小試管取適量上述實驗后的灰白色沉淀，加入3mL 0.1 mol·L-1的稀鹽酸，沉淀立即溶解消失，但沒有氣泡生成。

若樣品為（或存在）鎂粉，加入稀鹽酸會產生H2。實驗3現象說明足量鎂與稀鹽酸反應后得到的灰白色沉淀并非細顆粒狀的鎂粉。

2.3 觀點3：生成了氫氧化鎂

持這種觀點的學生是這么理解的：由于鎂的還原性略遜于鈉，常溫下就能與水反應。足量鎂與稀鹽酸反應的后期，可認為是剩余金屬鎂在氯化鎂溶液中繼續與水反應。由于溶液中存在氯離子，對金屬表面的難溶性生成物氫氧化鎂有鉆穿效應而使之脫落，破壞了對內部金屬的保護作用，使鎂在常溫下能與氯化鎂溶液持續反應，不斷生成大量氣泡和氫氧化鎂沉淀。

實驗4 小試管取5mL蒸餾水，加入一小段去除氧化膜的鎂帶，鎂帶表面先有少量氣泡生成后消失，蒸餾水仍澄清。繼續加入幾滴氯化鎂飽和溶液，鎂帶表面立即持續產生細小氣泡并不斷溶解，約3min后試管中出現白色渾濁，20min后鎂帶全部溶解，小試管中剩余大量灰白色沉淀。

實驗5 將實驗4中的灰白色沉淀充分蒸餾水洗，直至最后一次洗滌液中加硝酸銀溶液后渾濁現象不明顯為止。然后加入適量0.1 mol·L-1稀硝酸，沉淀立即溶解，繼續滴加幾滴0.1 mol·L-1硝酸銀溶液，出現大量白色渾濁。若改以實驗1所得沉淀作樣品重復實驗，現象相同。

實驗6 將少量灰白色沉淀蒸餾水洗并室溫晾干。然后取樣，按圖1加熱固體，用濕潤的紫色石蕊試紙檢驗氣體產物，試紙變紅；若另取一頭用硝酸銀溶液浸潤的玻璃棒懸于試管口，出現白色渾濁。

實驗4說明鎂在氯化鎂溶液中能反應生成灰白色沉淀。結合實驗5和6，鎂與稀鹽酸或氯化鎂溶液得到的沉淀樣品均可溶于強酸，且無論是用硝酸溶解后的溶液還是固體樣品直接加熱，都檢測到了氯元素的存在。因此，認為沉淀是（或者只是）氫氧化鎂的觀點也是站不住腳的。

基于實證與分析，原有設想一一遭到了否定。正在大家困惑不已時，有位學生提出了一種新設想：電解法制鎂所用原料無水氯化鎂，需要將MgCl2·6H2O在干燥的HCl氣流中加熱才能得到，若在空氣中加熱生成的則是Mg（OH）Cl或MgO；那么，足量鎂與稀鹽酸反應生成的灰白色沉淀是否也可能是堿式鹽一類的物質呢？

2.4 觀點4：生成堿式氯化鎂

實驗7 在小燒杯中放入約50mL 0.01 mol·L-1稀鹽酸，然后加入兩段各5cm的去除氧化膜的鎂帶，觀察實驗現象，用pH計監測反應過程中溶液pH變化并讀數。實驗結果見表2。

由實驗7可知，足量鎂與稀鹽酸反應過程中，溶液的pH逐漸增大，但酸性介質范圍內并不會有渾濁產生，只有當鎂與稀鹽酸（實際為鎂與氯化鎂溶液）的反應體系呈弱堿性并堿性逐步增強時，灰白色沉淀才逐漸出現、增多。聯系實驗5、實驗6的定性檢驗結果，我們有理由相信灰白色沉淀的成分為堿式氯化鎂。

有文獻[5]介紹，堿式氯化鎂存在多種組成結構，化學通式可表示為Mgx（OH）yClz·mH2O（其中2x-y-z=0，0≤m≤6），最早是在研究MgO和MgCl2水溶液之間的化學反應時發現的，主要存在Mg2（OH）3Cl·4H2O、Mg3（OH）5Cl·4H2O和Mg10（OH）18Cl2·5H2O等3種相。現代科學儀器分析表明，一定pH環境下得到的白色沉淀均為多種堿式氯化鎂固體的混合物，不同pH下得到的堿式氯化鎂固體產物測得的化學組成也并不相同（可參見表3）[6]。

綜上所述，由于足量鎂與稀鹽酸反應過程中，溶液會經歷從酸性到堿性并堿性逐步增強的過程，從而能促進灰白色沉淀的生成。由于不同pH下生成的堿式氯化鎂的化學組成也會隨之改變，因此我們認為實驗中得到的渾濁應為不同化學組成的堿式氯化鎂的混合物。

3.1 關于教材實驗的認識

用稀鹽酸代替稀硫酸演示鎂與酸的反應，由于Cl-對金屬表面的氯離子效應[7]，會使鎂與酸（或水）反應速率大大加快。一旦鎂的用量偏多，在課堂教學時間段內即會出現大量的灰白色沉淀。基于上述理論和實驗等方面的探究，我們認為異常現象出現的深層次原因是在不同pH下生成了不同化學組成的堿式氯化鎂的混合物。建議進行該實驗教學時，教材選用稀硫酸是合理的，不宜隨意更換；即使要選用稀鹽酸，也要注意鎂帶的用量宜少不宜多。

3.2 關于異常現象的處理

以實驗為基礎是化學學科的重要特征之一。化學實驗是為學生提供感性知識的手段，是培養學生科學態度和探究精神的有效途徑。教學改革背景下的實驗教學是一種平等、開放、動態的對話和交流。由于影響化學實驗的因素是多元的，因此在具體操作過程中經常會出現一些意料之外、不能理解的異常現象，教學過程也將意味著有更多的不確定性[8]。在眾多的異常現象中，有些可以運用學生已經掌握的知識給予合理解釋，有些則在學生當前的知識背景下尚無法說明。但不管暫時能不能解釋，都不妨礙這些異常現象成為我們的教學資源。教師要敢于打破預設的框架，調整教學策略，循著學生思維發展的腳步，積極進行課堂創新，及時開展實驗探究活動，引導學生的思維向更深層次發展。

參考文獻：

[1]王祖浩主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）[M].南京：江蘇教育出版社，2007：56.

[2]周公度.化學辭典（第二版）[M].北京：化學工業出版社，2011：438.

[3]范艷花，陳利娟.鋁箔與不同濃度鹽酸反應的“異常現象”探究[J].化學教學，2011，（3）：42～43.

[4][7]向太平.對鋁與鹽酸反應中灰色物質的探究[J].化學教學，2004，（3）：11～12.

[5]陳雪剛，呂雙雙，夏枚生等.堿式氯化鎂晶須的制備與應用進展[J].材料導報（綜述篇），2009，（4）：52～55.

[6]李春忠，古慶山，程起林等.針狀堿式氯化鎂的合成及形態分析[J].華東理工大學學報（自然科學版），2005，（6）：314～318.

[8]任雪明，吳文中.高中化學教學疑難問題研析[M].杭州：浙江教育出版社，2015：133.