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1、第17卷第4期杭州教育学院学报2000年7月Vol.17No.4JOURNALOFHANGZHOUEDUCATIONALINSTITUTEJul.2000镁燃烧实验现象解析金卫红摘要:本文对镁燃烧实验现象从热力学角度作了探讨。关键词:镁燃烧现象解析镁条燃烧时除产生耀眼的白光和生成白色烟雾外,也会十分明显地看到黑烟的冒出,对此不少中学教师往往难以解答,从而成为教学上的疑点。本文从热力学角度出发,在理论和实践上对此现象予以探讨、解析。把镁带用砂纸擦去表面氧化
2、物后,用坩锅钳夹住,点燃,就能看到镁在空气中剧烈地燃烧,发出耀眼的白色强光,放出大量的热,生成一种不同于金属镁的白色固态物质氧化镁,同时有白色烟雾产生。其主要化学反应式如下:1Mg(金属晶体)+O2(气体)MgO(离子晶体)+热2由生成焓的定义可知,上述反应的热效应就是MgO(晶体)的生成焓Hf,MgO即Hf,MgO-1=-60183KJ!mol。这就是说,在标准状态(标准压力和298K)下,当金属镁与氧气化合生成一摩尔氧化镁时要放出60183千焦的热量来。这些热量如何而来?为此,我们通
3、过玻恩哈伯循环来看一下它生成过程的各反应式及∀其能量变化。-11Hf,MgOS=150KJ!molMg(cr)+O2(g)MgO(cr)-121-1I=I1+I2=2186KJ!molS2DU=-3889KJ!molMg(g)O(g)D-1I-2e+2e2=249KJ!molY2+2-Mg(g)+O(g)Y=Y-11+Y2=702KJ!mol其中S为升能,D为离解能,I为电离能,Y为电子亲和能,U为晶格能,它们的数值见上,1-1故Hf,MgOS+I+D+Y+U=150+218
4、6+249+702-3889=-602KJ!mol22+可见,氧化镁生成时所放出的大量的热完全来自其晶格能(焓),即来自于Mg(g)和收稿日期:20000403作者简介:金卫红,女,浙江海洋学院海科系,讲师。!66!金卫红:镁燃烧实验现象解析2-O(g)间因强烈吸引而组成MgO(cr)离子晶体时所放出的巨大能量。因此,虽然使金属镁从固态气化为气态原子需要能量,使气体Mg原子变为气体镁离子时也需要能量,而且使氧气变为氧原子进而变成氧负离子也同样需要能量,但由于形成MgO晶体时所放出的晶格能实在2+
5、2+太大了,以致于它不仅补偿了从金属镁变成Mg(g)和氧气变成O(g)所需要的各种能量,而且还有较大剩余。所以镁在氧气中燃烧时能够放出大量的热和产生很高的温度,使生产的氧化镁在高温下因灼热发出强烈的白光,看起来十分耀眼。至于镁燃烧时所产生的白色烟雾,那不是氧化镁,也与氧化镁无关。它的产生原因是:镁不仅可以与氧气反应,也可与氮气反应生成氮化镁(Mg3N2),这是一种绿灰色粉末,容易被水分解而生成Mg(OH)2和NH3,因此当金属燃烧时,特别是当它在有限的空气中燃烧时,除了生成点燃氧化镁外,同进还生成一定
6、数量的氮化镁,反应式为3Mg+N2Mg3N2,由于氮化镁易升华,它与空气蒸汽发生下列反应Mg3N2+6H2O3Mg(OH)2+2NH3这就是镁燃烧时有一缕缕白色烟雾逸出的原因。正因为MgO(cr)生成热很大,所以镁与氧化合生成氧化镁晶体的过程,在能量上是十分有利的,因此,我们有理由推测金属镁也有夺取二氧化碳中氧使与其化合的可能性。实际上,我们正是用金属镁作为还原剂来生产硼、硅等单质的。例如:B2O3(cr)+3Mg(cr)3MgO(cr)+2B(cr)-1G=-5414KJ!molSiO2(cr)
7、+2Mg(cr)2MgO(cr)+Si(cr)-1G=-3653KJ!mol因此,用镁夺取CO2中氧也应该是没有问题的。实践证明,镁完全可以在#没有助燃性∃的CO2中燃烧。当我们把点着的镁条插入装CO2的集气瓶中时,镁能继续很好地燃烧,并产生大量游离的碳使瓶中黑烟滚滚。反应式为:点燃CO2(g)+2Mg(cr)2MgO(cr)+C-1由查热力学数据表可知:Hf,CO=-39351KJ!mol2-1Gf,MgO=-56957KJ!mol2-1Gf,CO=-39438KJ!mol2因此,上
8、述反应的吉布斯自由能变Gm可计算如下:Gm=iGf,i=(2Gf,MgO+O)-(Gf,CO+O)2=2%(-56957)-(-39438)-1=-74476KJ!mol<0由上讨论可知,正因为CO2的生成焓和生成吉布斯自由能的负值远不如MgO晶体来得大,所以镁夺取CO2中氧并产生游离碳的反应在理论上也确是一个Gm<0,在标准状态下可以自发进行的过程,这与实践结果完全一致;加上空气中总有一些CO2存在,因此镁在空气中燃烧所产生的黑烟,完
