兩種氣體自燃實驗及反應原理的介紹

文章編號：1005－6629(2008)03－0008－02中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：C

在周期表中，我們不難發現第三周期相鄰的第四主族和第五主族元素即硅和磷的氫化物有一個相似的特點：它們都能自燃。該兩族元素的教學中，我們不妨配以有趣的氣體自燃實驗來講解氫化物的規律，從而增加化學學習的趣味性。在此，筆者介紹怎樣制備這兩種自燃氣體及制備原理。

1 人造“鬼火”

磷和氫的化合物有多種，主要為：PH3和P2H4，其中最重要的PH3（稱作膦或磷化氫）， 常溫下它是一種無色劇毒的氣體，在183.28K凝為液體，在139.25K凝結為固體。純磷化氫氣體在空氣中的著火點約為423K，因此常溫下在空氣中它不能自燃；而要是被微量聯磷（P2H4）污染時，則能自動燃燒即我們所說的 “鬼火”。這是由于聯磷的著火點較低而使混合氣體自發燃燒的緣故。增加一個“鬼火”實驗會引起學生學習化學的興趣，同時能引導學生用化學知識解釋自然界中一些神秘現象。

很多一線教師反映“鬼火”實驗現象不明顯，不易操作。筆者經過實驗發現：用濃的氫氧化鈉溶液與白磷反應制取磷化氫和聯磷的混合氣體可以自燃，且操作簡單，現象明顯。

實驗原理：

磷與燒堿作用可用以下反應式表示：

4P+3NaOH+3H2O 3NaH2PO2+PH3↑

6P+4NaOH+4H2O4NaH2PO2+P2H4↑

聯磷和磷化氫在空氣中自燃可用以下反應式表示:

2P2H4+7O2 → 2P2O5+4H2O (自燃)

2PH3+4O2 → P2O5+3H2O (燃燒)

實驗裝置及藥品：

實驗步驟：

（1）稱量16克氫氧化鈉放入小燒杯中，再在燒杯里加入24mL的水即配成約40%的氫氧化鈉濃溶液。

（2）將新配置的溶液倒入圓底燒瓶，加入黃豆大的白磷。

（3）搭好如圖所示的裝置，將少量液化氣(丁烷氣)或天然氣經導管通入燒瓶，將燒瓶中的空氣趕盡；也可在圓底燒瓶內滴入幾滴乙醚，乙醚蒸發時即可將空氣趕走。

（4）加熱大約4-6分鐘，實驗完畢后，先停止加熱，讓水倒流入圓底燒瓶中，趕出磷化氫氣體。

實驗現象：

（1）配置氫氧化鈉溶液時，氫氧化鈉固體溶于水放出大量的熱。

（2）液體加熱到適當溫度后即可聽到導氣管口有爆鳴聲，產生的氣體經過導管逸出水面，氣泡逃逸到空氣中即自行著火燃燒，燃燒時產生火光并形成白色煙霧，煙霧成一個個白色圓圈，由小變大，緩慢上升。

注意事項：

（1）把白磷從水中拿出，它很快會自燃，特別是夏天。因此切割白磷的操作要在水底進行。

（2）盡量使用濃的氫氧化鈉溶液，否則實驗現象不明顯，且反應速度較慢。

（3）加熱之前，用液化氣（丁烷氣、天然氣或乙醚）趕走燒瓶里面的空氣，否則浮在溶液表面的磷的碎屑與空氣接觸也會發生自燃。

（4）為安全起見，實驗結束時，需用水把燒瓶充滿，趕出磷化氫氣體，以免在打開瓶塞時磷化氫與空氣接觸在瓶內燃燒。

（5）由于磷化氫氣體有毒，有條件的可以試著在通風櫥中進行。

2 硅烷氣體的自燃

由于硅-硅鍵的鍵能遠小于碳-碳鍵，因此沒有很長的硅鏈存在，這就決定了硅的氫化物無論在種類和數量上都遠不如碳的氫化物多。硅的氫化物僅有符合表達式SinH2n+2的幾種，其中n可以為1、2、6，最有代表的是SiH4，稱為甲硅烷。甲硅烷為無色無臭氣體，熔點88K，沸點161K。由于氫的電負性大小介于碳和硅之間，故CH4中共用電子對偏向碳，而SiH4中共用電子對偏向氫，使得硅烷的還原性比甲烷強。硅烷的著火點低，能在空氣中自燃，這也體現了硅烷的強還原性。

現將硅烷氣體自燃實驗介紹如下:

實驗步驟：

（1）稱取5克二氧化硅粉末，置于研缽中，再稱取8克鎂粉，也投入研缽，將兩者研細混勻，用骨匙將混合物全部裝入一鐵坩堝內，略壓緊。

（2）取一根長約8cm的鎂條，一端插入混合物，另一端用火引燃。待混合物被鎂條引燃后蓋上坩堝蓋，讓其充分反應，再讓它自然冷卻。

（3）冷卻后打開坩堝蓋，取出黑灰色的產物，將其裝在瓶中待用。

（4）演示時取一燒杯，注入1/4杯的濃度為1:1的鹽酸溶液，該鹽酸溶液應不起霧（否則再加水稀釋），外觀與水一般。將上述產物少量撒入鹽酸溶液里，液面上立即發出鞭炮似的爆嗚聲，并伴隨有點點閃閃的火花，在溶液上方還會出現一縷縷的白煙，故有“水面鞭炮”之稱，現象十分有趣。

注意事項：

待混合物被鎂條引燃后一定要蓋上坩堝蓋，否則得不到硅化鎂。此時坩堝溫度會升得很高，故坩堝應放在鐵架臺臺面上或磚塊上。

實驗原理：

鎂粉與二氧化硅在引燃條件下會反應而產生硅化鎂，硅化鎂和鹽酸反應會產生甲硅烷氣體，該氣體逸出液面后即與空氣中的氧發生激烈的反應，產生明亮的火焰和爆鳴聲。其燃燒后的產物是二氧化硅和水。有關的化學反應式如下：

制備： 4Mg+SiO2 2MgO+Mg2Si(硅化鎂)

演示： Mg2Si+4HCl→2MgCl2+SiH4↑(甲硅烷)

SiH4+2O2（自燃）→SiO2+2H2O

這兩個實驗都操作簡單，安全性較好，因而不妨在課堂上給學生演示，從而調動學生學習化學的積極性，激發學生的化學學習興趣。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”