鎂與碳酸氫鈉溶液反應初探
2014-10-21 23:29:37吳文中
化學教與學 2014年10期
吳文中
摘要：一次偶然的學生實驗發現金屬鎂能和碳酸氫鈉溶液反應，原因何在？文章從化學熱力學、動力學兩方面研究表明：碳酸氫根離子對氫氧化鎂保護膜的破壞及碳酸氫鈉溶液的緩沖溶液的特征保證了鎂和碳酸氫鈉溶液反應的可持續發生。
關鍵詞：鎂；碳酸氫鈉；保護膜；動力學機理
文章編號：1008-0546（2014）10-0081-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B
段昌平[1]的論文中提到：實驗中有一學生從實驗老師那里要來鎂片，用砂紙擦去其表面氧化膜后，分別加入濃度均為1.0 mol/L的氫氧化鈉、碳酸鈉和碳酸氫鈉3種溶液，驚訝地發現，鎂片竟在碳酸氫鈉溶液中迅速反應，產生大量氣泡。
學者周星[2]等關于低溫鎂/水反應特征及反應動力學中闡述了鎂/水反應的動力學特征以及銨根離子離子對低溫鎂/水反應的催化作用機理，該機理對解釋鎂為什么能與碳酸氫鈉溶液發生具有借鑒作用。
本文以鎂與水反應為研究對象，討論添加劑（硫酸、氯化銨、碳酸氫鈉溶液）都能加快鎂與水反應的化學熱力學、動力學原因后，認為碳酸氫根離子破壞了金屬鎂表面的氫氧化鎂是鎂和碳酸氫鈉溶液能發生反應的主要原因。
一、問題的提出
顯然，吸附在金屬表面的氫氧化鎂可以溶解在碳酸氫鈉溶液中，最后和碳酸氫鈉溶液中碳酸根離子或氫氧根離子發生沉淀反應得到氫氧化鎂和碳酸鎂混合物。
對于反應（3），依據溶度積規則，該反應的反應商為：Qc=碳酸氫根離子濃度越大，Qc越小，則該反應程度越大。
碰巧的是，碳酸氫鈉溶液本身是一個緩沖溶液[4]，碳酸氫鈉溶液濃度在不太小的情況下，其pH始終在8.31左右，從而保證了H+一定的氧化性，使鎂和NaHCO3溶液持續不斷地發生反應得到氫氣。
2. 實驗驗證
用砂紙擦去鎂片表面的氧化膜后，分別加入濃度均1.0mol/L的碳酸鈉和碳酸氫鈉兩種溶液中發現，鎂片在碳酸氫鈉溶液中迅速反應，產生大量氣泡并有白色不溶物產生。鎂片在碳酸鈉溶液中無明顯反應現象，經實驗分析，該氣體是氫氣。（實驗現象見上圖，右側為鎂和碳酸氫鈉溶液反應的情景，左側為鋁和碳酸氫鈉溶液混合體系）
五、結論
（1）在碳酸鈉溶液中，碳酸根離子濃度更大，更能有效降低鎂離子濃度，從熱力學角度上說，反應程度更大，但鎂卻不能和碳酸鈉溶液反應，這是因為碳酸根離子無法破壞金屬鎂表面的氫氧化鎂保護膜，從動力學角度上說，反應無法持續進行。
（3）鎂和碳酸氫鈉溶液的沉淀物，到底是碳酸鎂還是氫氧化鎂，還是堿式碳酸鎂[xMgCO3·yMg（OH）2]有待進一步的實驗驗證。
參考文獻
[1] 段昌平. 探究實驗中的一個意外發現——鎂與碳酸氫鈉溶液反應產生大量氫氣[J]. 化學教育，2012，（8）
[2] 周星，張煒，郭洋，姜本正. 低溫鎂/水反應特征及反應動力學研究[J]. 固體火箭技術，2011，34（1）
[3] 李永常. 試論氫超電勢[J]. 天津化工，2003，17（2）
[4] 李俊生. 碳酸氫鈉溶液在開放體系中離子濃度相對大小的研究[J]. 河北理科教學研究，2007，（3）endprint
摘要：一次偶然的學生實驗發現金屬鎂能和碳酸氫鈉溶液反應，原因何在？文章從化學熱力學、動力學兩方面研究表明：碳酸氫根離子對氫氧化鎂保護膜的破壞及碳酸氫鈉溶液的緩沖溶液的特征保證了鎂和碳酸氫鈉溶液反應的可持續發生。
關鍵詞：鎂；碳酸氫鈉；保護膜；動力學機理
文章編號：1008-0546（2014）10-0081-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B
段昌平[1]的論文中提到：實驗中有一學生從實驗老師那里要來鎂片，用砂紙擦去其表面氧化膜后，分別加入濃度均為1.0 mol/L的氫氧化鈉、碳酸鈉和碳酸氫鈉3種溶液，驚訝地發現，鎂片竟在碳酸氫鈉溶液中迅速反應，產生大量氣泡。
學者周星[2]等關于低溫鎂/水反應特征及反應動力學中闡述了鎂/水反應的動力學特征以及銨根離子離子對低溫鎂/水反應的催化作用機理，該機理對解釋鎂為什么能與碳酸氫鈉溶液發生具有借鑒作用。
本文以鎂與水反應為研究對象，討論添加劑（硫酸、氯化銨、碳酸氫鈉溶液）都能加快鎂與水反應的化學熱力學、動力學原因后，認為碳酸氫根離子破壞了金屬鎂表面的氫氧化鎂是鎂和碳酸氫鈉溶液能發生反應的主要原因。
一、問題的提出
顯然，吸附在金屬表面的氫氧化鎂可以溶解在碳酸氫鈉溶液中，最后和碳酸氫鈉溶液中碳酸根離子或氫氧根離子發生沉淀反應得到氫氧化鎂和碳酸鎂混合物。
對于反應（3），依據溶度積規則，該反應的反應商為：Qc=碳酸氫根離子濃度越大，Qc越小，則該反應程度越大。
碰巧的是，碳酸氫鈉溶液本身是一個緩沖溶液[4]，碳酸氫鈉溶液濃度在不太小的情況下，其pH始終在8.31左右，從而保證了H+一定的氧化性，使鎂和NaHCO3溶液持續不斷地發生反應得到氫氣。
2. 實驗驗證
用砂紙擦去鎂片表面的氧化膜后，分別加入濃度均1.0mol/L的碳酸鈉和碳酸氫鈉兩種溶液中發現，鎂片在碳酸氫鈉溶液中迅速反應，產生大量氣泡并有白色不溶物產生。鎂片在碳酸鈉溶液中無明顯反應現象，經實驗分析，該氣體是氫氣。（實驗現象見上圖，右側為鎂和碳酸氫鈉溶液反應的情景，左側為鋁和碳酸氫鈉溶液混合體系）
五、結論
（1）在碳酸鈉溶液中，碳酸根離子濃度更大，更能有效降低鎂離子濃度，從熱力學角度上說，反應程度更大，但鎂卻不能和碳酸鈉溶液反應，這是因為碳酸根離子無法破壞金屬鎂表面的氫氧化鎂保護膜，從動力學角度上說，反應無法持續進行。
（3）鎂和碳酸氫鈉溶液的沉淀物，到底是碳酸鎂還是氫氧化鎂，還是堿式碳酸鎂[xMgCO3·yMg（OH）2]有待進一步的實驗驗證。
參考文獻
[1] 段昌平. 探究實驗中的一個意外發現——鎂與碳酸氫鈉溶液反應產生大量氫氣[J]. 化學教育，2012，（8）
[2] 周星，張煒，郭洋，姜本正. 低溫鎂/水反應特征及反應動力學研究[J]. 固體火箭技術，2011，34（1）
[3] 李永常. 試論氫超電勢[J]. 天津化工，2003，17（2）
[4] 李俊生. 碳酸氫鈉溶液在開放體系中離子濃度相對大小的研究[J]. 河北理科教學研究，2007，（3）endprint
摘要：一次偶然的學生實驗發現金屬鎂能和碳酸氫鈉溶液反應，原因何在？文章從化學熱力學、動力學兩方面研究表明：碳酸氫根離子對氫氧化鎂保護膜的破壞及碳酸氫鈉溶液的緩沖溶液的特征保證了鎂和碳酸氫鈉溶液反應的可持續發生。
關鍵詞：鎂；碳酸氫鈉；保護膜；動力學機理
文章編號：1008-0546（2014）10-0081-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B
段昌平[1]的論文中提到：實驗中有一學生從實驗老師那里要來鎂片，用砂紙擦去其表面氧化膜后，分別加入濃度均為1.0 mol/L的氫氧化鈉、碳酸鈉和碳酸氫鈉3種溶液，驚訝地發現，鎂片竟在碳酸氫鈉溶液中迅速反應，產生大量氣泡。
學者周星[2]等關于低溫鎂/水反應特征及反應動力學中闡述了鎂/水反應的動力學特征以及銨根離子離子對低溫鎂/水反應的催化作用機理，該機理對解釋鎂為什么能與碳酸氫鈉溶液發生具有借鑒作用。
本文以鎂與水反應為研究對象，討論添加劑（硫酸、氯化銨、碳酸氫鈉溶液）都能加快鎂與水反應的化學熱力學、動力學原因后，認為碳酸氫根離子破壞了金屬鎂表面的氫氧化鎂是鎂和碳酸氫鈉溶液能發生反應的主要原因。
一、問題的提出
顯然，吸附在金屬表面的氫氧化鎂可以溶解在碳酸氫鈉溶液中，最后和碳酸氫鈉溶液中碳酸根離子或氫氧根離子發生沉淀反應得到氫氧化鎂和碳酸鎂混合物。
對于反應（3），依據溶度積規則，該反應的反應商為：Qc=碳酸氫根離子濃度越大，Qc越小，則該反應程度越大。
碰巧的是，碳酸氫鈉溶液本身是一個緩沖溶液[4]，碳酸氫鈉溶液濃度在不太小的情況下，其pH始終在8.31左右，從而保證了H+一定的氧化性，使鎂和NaHCO3溶液持續不斷地發生反應得到氫氣。
2. 實驗驗證
用砂紙擦去鎂片表面的氧化膜后，分別加入濃度均1.0mol/L的碳酸鈉和碳酸氫鈉兩種溶液中發現，鎂片在碳酸氫鈉溶液中迅速反應，產生大量氣泡并有白色不溶物產生。鎂片在碳酸鈉溶液中無明顯反應現象，經實驗分析，該氣體是氫氣。（實驗現象見上圖，右側為鎂和碳酸氫鈉溶液反應的情景，左側為鋁和碳酸氫鈉溶液混合體系）
五、結論
（1）在碳酸鈉溶液中，碳酸根離子濃度更大，更能有效降低鎂離子濃度，從熱力學角度上說，反應程度更大，但鎂卻不能和碳酸鈉溶液反應，這是因為碳酸根離子無法破壞金屬鎂表面的氫氧化鎂保護膜，從動力學角度上說，反應無法持續進行。
（3）鎂和碳酸氫鈉溶液的沉淀物，到底是碳酸鎂還是氫氧化鎂，還是堿式碳酸鎂[xMgCO3·yMg（OH）2]有待進一步的實驗驗證。
參考文獻
[1] 段昌平. 探究實驗中的一個意外發現——鎂與碳酸氫鈉溶液反應產生大量氫氣[J]. 化學教育，2012，（8）
[2] 周星，張煒，郭洋，姜本正. 低溫鎂/水反應特征及反應動力學研究[J]. 固體火箭技術，2011，34（1）
[3] 李永常. 試論氫超電勢[J]. 天津化工，2003，17（2）
[4] 李俊生. 碳酸氫鈉溶液在開放體系中離子濃度相對大小的研究[J]. 河北理科教學研究，2007，（3）endprint
