鎂和氯化銨溶液反應的探究

陳晨+馬宏佳

摘要：通過數字化實驗探究了鎂在氯化銨溶液中與H+、H2O和NH4+的反應情況，利用pH傳感器測量反應過程中pH隨時間的變化，利用Logger Pro3.8.4軟件進行數據分析，獲得了鎂與氯化銨溶液反應機理的一些認識。實驗證明，鎂與氯化銨溶液反應首先與H+反應；鎂可直接與水反應不必經由水電離的H+，即使在堿性條件下，鎂仍可以與水反應。打破了傳統認為“鎂能夠和氯化銨溶液持續反應是因為氯化銨水解呈酸性，水解產生的氫離子溶解了氫氧化鎂，使反應持續進行”的誤區。

關鍵詞：鎂；氯化銨溶液；反應機理；數字化實驗

文章編號：1008-0546（2017）04-0087-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.04.030

一、問題提出

把光亮的鎂帶置于蒸餾水中，常溫下即可看到鎂帶表面有氣泡產生，但是觀察不到持續的氫氣產生。一般認為，這是因為鎂和水反應產生的Mg（OH）2覆蓋在鎂的表面，阻止了鎂繼續和水反應。若把光亮的鎂帶置于氯化銨溶液中，則持續有氣體產生。許多人認為這是因為氯化銨溶液的酸性溶解了表面的氫氧化鎂導致鎂持續和水反應。對此，嚴宣申進行了相關實驗：把光亮的鎂帶置于含2滴酚酞的氯化銨溶液中，可以觀察到有氣體產生（該氣體為氫氣）；經過一段時間，溶液由無色變成粉紅色，隨后溶液顏色變深；期間不間斷地產生氫氣，只是產生氫氣的速度有所減慢；溶液變成紅色后仍可以產生氫氣[1]。嚴宣申據此得出結論：并不是因為氯化銨溶液的酸性使鎂能夠和水持續反應。在嚴宣申研究的基礎上，寧惠麗、周開雄、汪五一、楊華麗[2-5]等人相繼通過實驗或者理論推導，提出了產物除氫氣、氫氧化鎂以外還有氨氣等觀點，但是對鎂與氯化銨溶液反應的過程或機理解釋不盡相同。

教學實踐中也發現，許多學生認為鎂能夠和氯化銨溶液持續反應是因為氯化銨水解呈酸性，鎂與水解產生的氫離子反應產生氫氣，這種觀點也為許多教師所認同，在有些教學參考資料上也有類似解釋[6]。

那么鎂放入氯化銨溶液中，反應的過程究竟是怎樣的？我們借助數字化實驗中的pH傳感器、溫度傳感器和數據分析功能，進行了實驗研究和理論分析。

二、研究過程

問題1：鎂是先與H+反應嗎？

NH4Cl溶液中主要存在H+和大量H2O，鎂加入后，是先與水合H+反應，還是先被大量H2O包圍，與H2O反應？為了研究這個問題，設計了如下兩組實驗：

實驗①：30mL 1mol/L NH4Cl溶液+0.2g Mg粉，測定反應中溶液pH隨時間的變化；

實驗②：30mL 1mol/L CH3COONH4溶液+0.2g Mg粉，測定反應中溶液pH隨時間變化。

這兩組實驗的區別在于H+濃度不同，1mol/L NH4Cl溶液pH=4.39，c（H+）=4.07×10-5、1mol/L CH3COONH4溶液pH=7.63，c（H+）=2.34×10-8，而NH4+濃度基本相同。

實驗①、②結果如下圖：

（把反應分成兩個階段：pH迅速上升的階段記作階段Ⅰ，pH上升緩慢的階段記作階段Ⅱ。）

實驗①、②結果分析：

從圖2數據可知，20s～40s之間是反應主要發生時間段。在此階段，鎂與氯化銨反應曲線的斜率明顯大于與醋酸銨反應，說明單位時間內，鎂與氯化銨溶液反應時H+濃度的變化明顯大于與醋酸銨反應的變化，也就是說，鎂與1mol/L NH4Cl溶液的反應速率明顯大于鎂與1mol/LCH3COONH4溶液的反應速率。這二者中，NH4+濃度、H2O的量是基本相同的，不同的只是H+濃度，H+濃度大的，反應速率快，因此可以認為：鎂是先和H+反應的。

會不會是因為Cl-的存在加快了鎂與氯化銨溶液的反應速率呢[7]？為回答這一問題，我們又做了實驗③：在CH3COONH4溶液中加入1mol/L Cl-，再與鎂反應，測定pH變化。

將實驗③結果與實驗①、②結果合并，得圖3：

由圖可見，CH3COONH4溶液中有Cl-存在時，反應速率仍不如Mg與NH4Cl溶液的快。因此可知，Cl-的影響可以被排除，還是因為H+濃度大，反應速率快。由此，進一步肯定了上述結論：鎂粉加入氯化銨溶液，鎂首先與H+反應。

問題2：鎂可與水直接反應嗎？

接下來考慮鎂和氯化銨溶液反應過程中水的作用機理。鎂和水直接反應，還是必須經由水電離出的H+？為了解決這一問題，設計如下實驗：

實驗④：30mL蒸餾水+0.2g Mg粉。測定反應中溶液pH隨時間的變化。

實驗⑤：30mL蒸餾水+稀NaOH溶液+0.2g Mg粉。測定反應中溶液pH隨時間的變化。

實驗④、⑤結果見圖4和圖5：

實驗④、⑤結果分析：

由圖④、⑤可知，鎂與水反應，溶液的pH持續升高，最高值大約為11；即使在堿性條件下，鎂仍然繼續與水發生反應。此時，溶液中水的電離是受到很大抑制的，據此，我們推測：鎂可以直接與水反應，不一定經由電離產生的H+。

結合實驗①：0.2g Mg粉與1mol/L NH4Cl溶液反應，觀察實驗裝置和pH曲線，發現當溶液顯堿性時，溶液中仍持續產生氣泡，且存在大量未反應完的灰黑色鎂粉（圖6-A），反應結束后鎂粉全部消耗，只有白色沉淀Mg（OH）2（圖6-B），說明當反應體系中有鎂粉存在時，即使溶液呈堿性，反應還是在進行的。這與嚴宣申先生的發現：“鎂與滴有酚酞的氯化銨溶液反應，溶液顯粉紅色，并逐漸加深”也是一致的。這些實驗結果也說明，堿性條件下，鎂仍然可以和水反應 。從電極電勢的角度也可以證明：

Mg2++2e-[=]Mg Eθ[=]-2.363V

2H++2e-[=]H2↑ Eθ[=]0V

2H2O+2e-[=]H2↑+2OH- Eθ[=]-0.828V

酸性條件下，水的電極電勢比鎂高2.363V，可以把Mg氧化為Mg2+；中性或者堿性條件下，水的電極電勢比鎂高1.543V，仍然可以把Mg氧化為Mg2+。進一步肯定我們的推測：鎂可以直接與水反應，不一定經由電離產生的H+。

我們還發現，鎂與氯化銨溶液反應最后的沉淀并不溶于NH4Cl（取適量反應結束后的懸濁液于試管，加入NH4Cl固體，沉淀不溶解，圖6-C），說明“鎂與氯化銨反應快是因為生成的氫氧化鎂溶解于氯化銨”的說法并不可靠。

問題3：NH4+能加快反應嗎？有氨氣生成嗎？

關于鎂與氯化銨的反應分析到這里只剩NH4+了，鎂在氯化銨溶液中和氫離子、水都會反應，銨根離子會加快反應嗎？反應有氨氣生成嗎？為了解決這一問題，比較了上述實驗②和④反應中溶液pH-時間變化圖。

實驗②：30mL 1mol/L CH3COONH4溶液+0.2g Mg粉。

實驗④：30mL蒸餾水+0.2g Mg粉。

這兩個實驗的區別在于是否存在NH4+，且兩溶液均為中性，控制了pH相同。如果兩個實驗的曲線近乎重合且實驗現象相似，說明NH4+對反應的影響不大，鎂不和NH4+反應；反之NH4+參與反應。

實驗結果如圖7：

實驗結果分析：

圖7顯示鎂和水反應比鎂和CH3COONH4溶液反應更劇烈（圖中顯示為斜率更大），說明NH4+在反應速率上的貢獻不大。但是鎂和氯化銨溶液反應開始時用濕潤的紅色石蕊試紙檢測生成的氣體，發現試紙變藍色，且整個反應過程中用濕潤的紅色石蕊試紙檢測，試紙均變藍色（圖6-D），說明反應過程中持續有氨氣產生。由于反應開始階段溫度上升明顯，反應后期溶液堿性增大，推測反應中氨氣的產生可能與這兩個因素有關。

三、小結

綜合以上分析，我們發現：鎂與氯化銨溶液反應首先與H+反應；鎂可直接與水反應不必經由水電離的H+，即使在堿性條件下，鎂仍可以與水反應；NH4+不加快鎂與水的反應；鎂與氯化銨溶液反應持續有氨氣放出；鎂與氯化銨溶液反應，前階段主要發生和氫離子的反應，后階段主要發生和水的反應。

通過數字化實驗，可以比較直觀地分析出鎂和氯化銨溶液反應的內在過程及其產物，將不可視的過程可視化，打破了“鎂能夠和氯化銨溶液持續反應是因為氯化銨水解呈酸性，水解產生的氫離子溶解了氫氧化鎂，使反應持續進行”的認識誤區，得到了對鎂與氯化銨溶液反應機理的一些認識。

參考文獻

[1] 嚴宣申. 鎂和氯化銨溶液的反應[J]. 化學教育，1994，04：35-36

[2] 寧惠麗，閆玉杰. 談鎂與氯化銨溶液的反應[J]. 黑龍江農墾師專學報，1995，04：83

[3] 周開雄. 鎂和氯化銨溶液反應的實驗研究[J]. 化學教育，2005，04：53-55

[4] 汪五一. 鎂粉與氯化銨溶液的反應分析[J]. 科技信息，2011，30：139-140

[5] 楊華麗. 鎂與氯化銨飽和溶液反應產物的探究 [J]. 實驗教學與儀器，2016，S1：106-107，123

[6] 化學知識手冊，沈陽：大連出版社，1999，272

[7] 楊飛，馬宏佳等.鎂與鹽酸、醋酸反應的激烈程度能說明強弱電解質嗎[J].教學儀器與實驗，2011，1：32-34