鎂條燃燒實驗的教學設計研究

質量守恒定律是中學階段一個十分重要的知識點，這一定律是自然界普遍存在的基本定律，在理論中和實踐中都占據著重要的地位。質量守恒定律系列實驗包括白磷在空氣中燃燒、鐵和硫酸銅溶液的反應以及鎂在空氣中燃燒，本節課老師帶領大家來觀察鎂在空氣中燃燒產生的化學現象，進一步驗證和學習質量守恒定律，通過對實驗現象進行觀察，對實驗結果進行分析和探究，達到鎂條燃燒這一化學實驗的目的，使大家充分理解能量守恒定律的含義。

一、實驗教學主要內容

之前，在課堂上做鎂條燃燒實驗的主要內容為：將鎂條、蒸發皿一起放在電子天平上稱量，記錄稱量數值。點燃鎂條，觀察實驗現象，生成了大量的白煙。鑷子前端明顯有白色固體。然后將鎂條燃燒后的產物再放在電子天平上稱量，記錄實驗數據，如下表，然后對實驗前后的數據進行比較、分析。

實驗結果顯示：鎂條燃燒后，生成物的質量比反應前物質總質量減少。為什么會產生這樣的實驗結果，這樣的結果合理嗎？可信嗎？下面我們來討論一下。從實驗現象中，我們看到鎂燃燒有大量白煙生成，這種物質不是氧化鎂，實驗中出現的大量白煙其實就是新生成的氫氧化鎂懸浮在氣流中的結果。鎂的熔點648.8℃，沸點l107℃，鎂在氧氣中的燃燒溫度很高，所以，鎂條燃燒過程中產生的大量白煙中還含有氫氧化鎂成分。所以說，反應后的生成物要小于理論數值。

由于鎂條燃燒過程中，生成物的數值變化處在一個動態的過程中，我們設計下一組實驗，對反應后生成物的質量由減少到增多的現象進行進一步的驗證。

在實驗前，要了解反應前的反應物的總質量，鎂條在空氣中燃燒后質量會增加，因為反應物不僅要考慮鎂條，還有空氣中的氧氣，因此反應前二者的質量總和與反應后各物質的質量總和就相等了。鎂在空氣中燃燒會發出耀眼的白光，產生大量的煙和很高的溫度，放出大量的熱，這些煙是鎂條與空氣中的物質反應產生的固體小顆粒，所以說有一部分物質便成煙擴散在空氣中，這樣再將反應后的物質放置在天平上稱量，可以觀察結果。

實驗概況描述：實驗所用的器械主要為高精度的電子天平，精確度為0.001g，取用0.005g的鎂。本實驗用的主要器材為精度較高的電子天平，100mL的塑料瓶、玻璃片、銅片。

鎂條燃燒具體實驗步驟：

1.將鎂條、玻璃片、銅片、塑料瓶放在電子天平上稱，記錄數據。然后在實驗的每個階段，對數據進行記錄，數據信息如下表。

2.點燃鎂條，罩上塑料瓶，產生大量白煙，然后將燃燒的鎂條放在銅片上，罩上瓶子，瓶內白煙不斷增多。將反應后的物質和玻璃片、銅片、塑料瓶和鑷子，一起放在電子平上稱量，記錄質量。從實驗數據中可以看出，實驗開始的初級階段，生成物質量減少。塑料瓶中的固體小顆粒是氧化鎂和氯化鎂。實驗進行一段時間后，生成物質量增加，隨著反應時間的增加，氧化鎂和氫氧化鎂固體顆粒就積在玻璃壁上，質量就不斷增加，明顯大于反應前質量。等到白煙消失，質量就不再發生變化。整個實驗中的反應物質量是處在一個變化的過程中，電子天平將這一過程合理地記錄下來。

二、知識鏈接與拓展

下面我們再來設計兩個實驗，來探討一下金屬鎂在空氣中燃燒的實驗問題。

將適量的金屬鎂在集氣瓶中燃燒，來觀察生成產物的顏色，對產物進行判斷。

實驗現象：集氣瓶中充滿大量白煙，冷卻后瓶壁及瓶底附有一層厚厚白色粉末狀物質，未見淡黃色物質，瓶壁及瓶底有黑色物質。向集氣瓶中加入稀鹽酸，黑色物質很快溶解并有氣體放出，一段時間后，白色物質和絕大多數黑色物質完全溶解，仔細觀察溶液，有少量黑色絮狀物懸浮于其中。

推測：白色粉末狀物質無疑是氧化鎂，未見淡黃色物質的原因可能是氮化鎂生成量少，被大量的白色粉末掩蓋；黑色物質不只是炭，可能是鎂受熱形成蒸汽在瓶壁遇冷凝結的金屬鎂的細小顆粒；向集氣瓶中加入足量稀鹽酸后溶液中懸浮的少量黑色絮狀物，應該是鎂與空氣中CO2發生置換反應生成的炭。鎂在空氣中燃燒未見淡黃色物質，是不是就代表沒有生成氮化鎂呢？我們用下面這個實驗來加以證明：

使金屬鎂在鐘罩內燃燒，觀察水面上升情況，來判斷氮化鎂。

在玻璃片上放上足夠量的鎂條，在酒精燈是上點燃一段鎂條，然后迅速插入玻璃片上的鎂條中，立即罩上鐘罩。

觀察到的實驗現象為：鐘罩內充滿白煙，內壁附著白色物質；氣球先脹大后縮小；冷卻后鐘罩內水面上升。重復多次實驗，鐘罩內水面上升超過1/5。其中最明顯的是鐘罩內水面上升約1/3處；破玻璃片上有大量白色物質，亦有黑色物質，撥開固體表面粉末，仍有未燃燒的鎂，此時，可以看到黃色粉末；在粉末中滴入幾滴水，有刺激性氣味且能使濕潤紅色石蕊試紙變藍的氣體產生；在粉末中加入過量鹽酸，有黑色的懸浮物。

由上述實驗現象，可以得出結論：生成產物中以氧化鎂為主，也有少量的氮化鎂和炭生成。其中，鎂和氮氣都還有剩余，但是反應并沒有繼續下去。那么為什么金屬鎂在氮氣中可以燃燒，與鐘罩內剩余的氮氣就不能繼續反應了呢？黃色粉末為什么出現在被白色粉末覆蓋的金屬鎂表面呢？推測原因為以下幾點：過量金屬鎂表面生成了氧化鎂覆蓋在鎂表面，在一定程度上阻隔了反應的繼續進行；氮氣的性質沒有氧氣活潑，氧氣基本消耗完后，反應速率肯定變慢，且氮氣與金屬鎂反應放出的熱少，最終反應體系的溫度降低導致反應停止；氮化鎂對熱不夠穩定，開始時，反應的溫度遠高于800℃，不利于氮化鎂的生成，后來溫度降低，此時才有氮化鎂生成，所以黃色粉末出現在過量的金屬鎂表面而被白色粉末覆蓋。

三、實驗總結

本節課通過以上幾組實驗，向同學們展示了鎂條在空氣中燃燒時產生的現象，通過對實驗現象以及相關數據的觀察、記錄，我們得到鎂條在空氣中燃燒，生成產物中以氧化鎂為主，也有少量的氮化鎂和炭生成，金屬鎂不僅與空氣中的氧氣發生了反應，同時與空氣中的氮氣反應，產生白色固體。這些白色固體是氧化鎂和氮化鎂的混和物，遵循質量守恒定律。

質量守恒定律是一則重要的定律，通過白磷在空氣中燃燒、鐵和硫酸銅溶液的反應以及鎂在空氣中燃燒這三組實驗來驗證這一定律，大家一定要牢固掌握，抓住關鍵知識點和考點，對實驗進行全面了解和掌握，多做習題，對知識加以鞏固。通過實驗，對能量守恒定律的認識會更深刻，全面了解在事物與外界隔絕的條件下，無論內部發生什么變化，它的總質量一定是不會變的。質量守恒定律在理論中與實踐中的應用都很普遍，也十分廣泛。

在化學學習中，要努力提高觀察能力和對事物的分析能力。尤其是對于化學實驗的總結與分析中，要有扎實的語言組織功底，才有利于培養清晰的化學實驗思路，對實驗內容、結果有更深入的把握，只有這樣，才能以不變應萬變，在解題時將知識和原理靈活地應用在其中。同時，要提高化學實驗的實踐操作能力和動手能力，積極參與到化學實驗中，用實驗這種方式更加直觀、更加準確地去體會化學現象的神奇之處，理解化學知識的內涵，并將化學實驗與實際生活相結合，把化學知識積極應用到實踐中，充分發揮學習化學的意義與價值。

（作者單位：江蘇省丹陽市第八中學）