镁和氯化铵溶液反应的探究

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1、镁和氯化按溶液反应的探究通过数字化实验探宄了镁在氯化铵溶液中与H+、H20和NH4+的反应情况，利用pll传感器测量反应过程中pU随时间的变化，利用LoggerPro3.8.4软件进行数裾分析，获得了镁与氯化铵溶液反应机理的一些认识。实验证明，镁与氯化铵溶液反应首先与H+反应；镁可直接与水反应不必经由水电离的H+，即使在碱性条件下，镁仍可以与水反应。打破了传统认为“镁能够和氯化铵溶液持续反应是因为氯化铵水解呈酸性，水解产生的氢离子溶解了氢氧化镁，使反应持续进行”的误区。关键词：镁；氯化铵溶液；反应机理；数字化实验1008-0546(20

2、17)04-0087-03:G633.8文献标识码：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.04.030一、问题提出把光亮的镁带置于蒸馏水中，常温下即可看到镁带表面有气泡产生，但是观察不到持续的氢气产生。一般认为，这是因为镁和水反应产生的Mg(0H)2覆盖在镁的表妞，阻止了镁继续和水反应。若把光亮的镁带置于氯化铵溶液中，则持续有气体产生。许多人认为这是因为氯化铵溶液的酸性溶解了表面的氢氧化镁导致镁持续和水反应。对此，严宣申进行了相关实验：把光亮的镁带置于含2滴酚酞的氯化铵溶液中，可以观察到有气体产生(该气体

3、为氢气)；经过一段时间，溶液由无色变成粉红色，随后溶液颜色变深；期间不间断地产生氢气，只是产生氢气的速度有所减慢；溶液变成红色后仍可以产生氢气［1］。严宣申据此得出结论：并不是因为氯化铵溶液的酸性使镁能够和水持续反应。在严宣屮研究的基础上，宁惠丽、周开雄、汪五一、杨华丽［2-5］等人相继通过实验或者理论推导，提出了产物除氢气、氢氧化镁以外还有氨气等观点，但是对镁与氯化铵溶液反应的过程或机理解释不尽相同。教学实践中也发现，许多学生认为镁能够和氯化铵溶液持续反应是因为氯化铵水解呈酸性，镁与水解产生的氢离子反应产生氢气，这种观点也为许多教师所

4、认同，在有些教学参考资料上也有类似解释［6］。那么镁放入氯化铵溶液屮，反应的过程究竞是怎样的？我们借助数字化实验中的pH传感器、温度传感器和数据分析功能，进行了实验研宄和理论分析。二、研究过程问题1:镁是先与H+反应吗？NH4C1溶液中主要存在H+和大量H20,镁加入后，是先与水合H+反成，还是先被大量H20包围，与H20反应？为了研宄这个问题，设计了如下两组实验：实验①:30mLlmol/LNH4C1溶液+0.2gMg粉,测定反应中溶液pH随时间的变化；实验②:30mLlmol/LCH3C00NH4溶液+0.2gMg粉，测定反应屮溶液

5、pH随时间变化。这两组实验的区别在于H+浓度不同，lmol/LNH4C1溶液pH=4.39，c(H+)二4.07X10-5、lmol/LCH3C00NH4溶液pH二7.63,c(H+)=2.34X10-8,而NH4+浓度基木相同。实验①、②结果如下图：(把反应分成两个阶段：pH迅速上升的阶段记作阶段I,pll上升缓慢的阶段记作阶段II。)实验①、②结果分析：从图2数据可知，20s〜40s之间是反应主要发生时间段。在此阶段，镁与氯化铵反应曲线的斜率明显大于与醋酸铵反应，说明单位时间内，镁与氯化铵溶液反应时11+浓度的变化明显大于与醋酸铵反

6、应的变化，也就是说，镁与lmol/LNH4C1溶液的反应速率明显大于镁与lmol/LCH3C00NH4溶液的反应速率。这二者中，NH4+浓度、H20的量是基本相同的，不同的只是H+浓度，H+浓度大的，反应速率快，因此可以认为：镁是先和H+反应的。会不会是因为C1-的存在加快了镁与氯化铵溶液的反应速率呢[7]?为回答这一问题，我们又做了实验③：在CH3C00NH4溶液中加入lmol/LC1-,再与镁反应，测定pH变化。将实验③结果与实验①、②结果合并，得图3:由图可见，CH3C00NH4溶液中有C1-存在时，反应速率仍不如Mg与NH4C1

7、溶液的快。因此可知，C1-的影响可以被排除，还是因为11+浓度大,反应速率快。由此，进一步肯定了上述结论：镁粉加入氯化铵溶液，镁首先与H+反应。问题2:镁可与水直接反应吗?接下来考虑镁和氯化铵溶液反应过程中水的作用机理。镁和水直接反应，还是必须经由水电离出的H+?为了解决这一问题，设计如下实验：实验④：30mL蒸馏水+0.2gMg粉。测定反应中溶液pH随时间的变化。实验⑤:30mL蒸馏水+稀NaOH溶液+0.2gMg粉。测定反应中溶液pH随时间的变化。实验④、⑤结果见图4和图5:??验④、⑤结果分析：由图④、⑤可知，镁与水反应，溶液的p

8、H持续升高，最高值大约为11;即使在碱性条件下，镁仍然继续与水发生反应。此时，溶液中水的电离是受到很大抑制的，裾此，我们推测：镁可以直接与水反应，不一定经由电离产生的H+。结合实验①：0.2gMg粉与lmc