探究金屬鎂與銨鹽反應(yīng)的原理

石錦惠

有一定的化學(xué)基礎(chǔ)者都知道金屬鎂能夠與酸反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，進(jìn)入高中后學(xué)生也明確了鎂條可以與熱水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。實(shí)驗(yàn)表明，常溫下金屬鎂不僅能在水溶液中呈酸性銨鹽（強(qiáng)酸弱堿鹽，即（NH4）2SO4、NH4Cl、NH4NO3）溶液里反應(yīng)。而金屬鎂能否在中性銨鹽（如CH3COONH4）的溶液、堿性銨鹽（如NH4HCO3、（NH4）2CO3）的溶液里發(fā)生反應(yīng)呢？

1.實(shí)驗(yàn)探究為銨鹽的水溶液與金屬鎂反應(yīng)提供真實(shí)的來(lái)源

實(shí)驗(yàn)：用滴定管向試管中加入10滴 0.1mol·L-1NH4Cl溶液，用砂紙除去鎂條表面氧化膜，將鎂條投入溶液，開(kāi)始鎂條表面產(chǎn)生大量的氣體，收集氣體發(fā)現(xiàn)氣體具有可燃性（經(jīng)檢驗(yàn)其中含H2）。一段時(shí)間后，用蘸有濃鹽酸的玻璃棒靠近試管口產(chǎn)生白煙的氣體。將上述實(shí)驗(yàn)中的NH4Cl溶液換成（NH4）2 SO4溶液，實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象完全相同。

結(jié)論：開(kāi)始鎂條表面產(chǎn)生大量的氣體，收集氣體發(fā)現(xiàn)氣體具有可燃性，說(shuō)明是H2。一段時(shí)間后，用蘸有濃鹽酸的玻璃棒靠近試管口產(chǎn)生白煙的氣體，產(chǎn)生的是NH3。

反思：一方面，本實(shí)驗(yàn)采用0.1mol·L-1NH4Cl溶液或（NH4）2SO4溶液是防止NH4NO3的酸性溶液中NO3-具有氧化性；另一方面，上述實(shí)驗(yàn)反應(yīng)產(chǎn)生H2的原因可以從下列兩個(gè)方面考慮：

（1）Mg直接與NH4+反應(yīng)：Mg+2NH4+=Mg2++2NH3↑+H2↑；

（2）NH4+水解出來(lái)的H+與Mg反應(yīng)：NH4++H2O NH3·H2O+H+；Mg+2H+=Mg2++H2↑。

2.理論分析為銨鹽的水溶液與金屬鎂反應(yīng)作出正確的指導(dǎo)

通過(guò)銨鹽的水溶液與金屬鎂反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和氨氣，學(xué)生更多地傾向（2）中NH4+水解出來(lái)的H+與Mg反應(yīng)。為了證明Mg直接與NH4+反應(yīng)成立，學(xué)生查閱了資料，已知NH3·H2O的Kb=1.8×10-5，幾種弱酸常溫下的電離平衡常數(shù)表1所示：

從表中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)NH4HSO3或（NH4）2SO3溶液來(lái)講，Ka大于與Kb，因?yàn)镹H3·H2O比SO32-或HSO3-的電離常數(shù)小，說(shuō)明SO32-或HSO3-比NH4+水解程度小，所以溶液呈酸性；類似的，Ka小于Kb，溶液成堿性，故NH4HCO3或（NH4）2CO3溶液堿酸性；若Ka等于與Kb，溶液呈中性，如CH3COONH4溶液呈中性，這是因?yàn)镹H3·H2O和CH3COOH的電離常數(shù)相同，說(shuō)明CH3COO-和NH4+水解程度相同，所以CH3COONH4溶液呈中性。當(dāng)實(shí)驗(yàn)選擇與Mg反應(yīng)的銨鹽為CH3COONH4，若實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也產(chǎn)生H2和NH3，則就可以充分說(shuō)明是NH4+與直接Mg反應(yīng)的結(jié)果。

學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是必然的。用滴定管向試管中加入10滴 0.1mol·L-1 CH3COONH4溶液，用砂紙除去鎂條表面氧化膜，將鎂條投入溶液，鎂條表面產(chǎn)生大量的氣泡。用濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙接觸生成氣體變紅，說(shuō)明產(chǎn)生了NH3；再用小試管采取排水法收集反應(yīng)生成的氣體，發(fā)現(xiàn)氣體可以燃燒（方法是：將集滿氫氣的小試管用大拇指堵住管口，管口朝下，立即移近酒精燈火焰，試管里的氣體能點(diǎn)燃）。

3.深入探究為銨鹽的水溶液與金屬鎂反應(yīng)構(gòu)建完整的知識(shí)體系

在前面我們分析了具有酸性的NH4NO3溶液中NO3-可能具有氧化性，將金屬鎂投入NH4NO3溶液中，是否是NO3-氧化金屬鎂呢？

實(shí)驗(yàn)：用滴定管向試管中加入10滴 0.1mol·L-1NH4NO3溶液，用砂紙除去鎂條表面氧化膜，將鎂條投入溶液，鎂條表面產(chǎn)生大量的無(wú)色氣體。收集氣體進(jìn)行可燃性實(shí)驗(yàn)，其氣體不可燃，并使帶火星的木條復(fù)燃；進(jìn)行NH3檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，其氣體不含NH3；氣體接觸空氣不變棕紅色。

結(jié)論：金屬鎂投入NH4NO3溶液中不再產(chǎn)生氫氣和氨氣，氣體也不是一氧化氮或二氧化氮，而是另有其他。

通過(guò)資料查閱發(fā)現(xiàn)，在微弱的酸性環(huán)境下NO3-被Mg還原生成N2O、N2等物質(zhì)。其發(fā)生反應(yīng)的離子方程式可以表示為：4Mg+10H++2NO3-=4Mg2++N2O↑+5H2O或5Mg+12H++2NO3-=5Mg2++N2↑+6H2O。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)比較復(fù)雜，這里就不再狗尾續(xù)貂了。

另外，在堿性條件下的銨鹽與金屬鎂的反應(yīng)又是何種結(jié)果呢？

實(shí)驗(yàn)：在試管中加入2ml pH=8.2的 NH4HCO3溶液，將除去表面氧化膜的鎂條投入溶液，開(kāi)始鎂條表面產(chǎn)生大量的氣體，同時(shí)有白色固體析出。對(duì)產(chǎn)生的氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，該氣體能夠使澄清的石灰水變渾濁，除去這種氣體之后，還有另一種可以燃燒的氣體，燃燒后生成水。

結(jié)論：NH4HCO3溶液與金屬鎂反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣。

反思：NH4HCO3溶液與金屬鎂反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣一定與HCO3-有關(guān)。怎樣才能驗(yàn)證產(chǎn)生二氧化碳和氫氣原因與HCO3-有關(guān)呢？可以補(bǔ)充這樣的實(shí)驗(yàn)：

（1）在試管中加入2ml pH=8.2的 NaHCO3溶液，將除去表面氧化膜的鎂條投入溶液，開(kāi)始鎂條表面產(chǎn)生大量的氣體，同時(shí)有白色固體析出。這種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與pH=8.2的 NH4HCO3溶液的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象完全一樣，說(shuō)明與NH4+無(wú)關(guān)。

（2）將pH=8.2的 NaOH溶液中加入除去表面氧化膜的鎂條，沒(méi)有氣體產(chǎn)生。說(shuō)明產(chǎn)生的H2與OH-沒(méi)有關(guān)系。

學(xué)生查閱資料發(fā)現(xiàn)，析出的白色固體為Mg2（OH）2CO3。這完全可以用高中化學(xué)知識(shí)作以解釋：因?yàn)镹H4HCO3溶液中存在HCO3- H++CO32-平衡，Mg與H+反應(yīng)生成了Mg2+，降低了H+的濃度，使平衡正向移動(dòng)；同時(shí)溶液中存在HCO3-+H2O H2CO3+OH-，溶液中的Mg2+、OH-、CO32-結(jié)合就產(chǎn)生了難溶的Mg2（OH）2CO3。

為了確定NH4HCO3溶液與金屬鎂反應(yīng)析出的白色固體是Mg2（OH）2CO3，學(xué)生又補(bǔ)充了下列實(shí)驗(yàn)：

某學(xué)生設(shè)計(jì)了圖1所示裝置來(lái)探究白色固體的熱分解情況（夾持儀器省略）。打開(kāi)K，先通入一段時(shí)間氮?dú)猓缓螅镁凭珶粼贏處加熱玻璃管，觀察B瓶溶液變渾濁，說(shuō)明白色體分解產(chǎn)生CO2。待實(shí)驗(yàn)完畢后，繼續(xù)通入氮?dú)庵敛ＡЧ芾鋮s，在硬質(zhì)玻璃管的右側(cè)的內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)了液滴。

圖1實(shí)驗(yàn)說(shuō)明該析出的白色固體分解產(chǎn)生了水和二氧化碳，但不能說(shuō)明就一定是Mg2（OH）2CO3，因?yàn)镸gHCO3分解也會(huì)產(chǎn)生相同的現(xiàn)象。

該小組對(duì)上述裝置又進(jìn)行簡(jiǎn)單改進(jìn)后（如圖2），作了白色固體的定量探究。連接儀器、裝藥品，打開(kāi)止水夾K，通入氮?dú)猓訜岵ＡЧ堋．?dāng)C中硬質(zhì)玻璃管的右側(cè)的內(nèi)壁不再有液滴時(shí)，停止加熱，繼續(xù)通入氮?dú)庵敛ＡЧ芾鋮s。

為了確定其固體組成，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，學(xué)生注意了應(yīng)先吸收水蒸氣，再吸收CO2，實(shí)驗(yàn)D不能選用堿石灰，因?yàn)樗瑫r(shí)吸收水蒸氣和CO2。在裝置D中應(yīng)盛放氯化鈣固體，E中盛放堿石灰固體。在這一實(shí)驗(yàn)中學(xué)生得出了一組數(shù)據(jù)如表2所示：

還有更多的實(shí)驗(yàn)正等待著我們?nèi)ヌ骄俊⑷ラ_(kāi)發(fā)，這里就不一一列舉了。

總之，銨鹽溶液與金屬鎂常見(jiàn)的反應(yīng)是Mg直接與NH4+反應(yīng)：Mg+2NH4+=Mg2++2NH3↑+H2↑。然而，在不同的條件下也會(huì)有不同的結(jié)果，如金屬鎂在與NH4NO3或NHHCO3溶液的反應(yīng)，就是特例，但是，其反應(yīng)原理還是有據(jù)可循的。我們唯有不斷地反思、不斷地探究，真理就一定會(huì)掌握在自己的手中。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：福建省長(zhǎng)樂(lè)華僑中學(xué)）