探究金屬鎂與銨鹽反應的原理

石錦惠

有一定的化學基礎者都知道金屬鎂能夠與酸反應產生氫氣，進入高中后學生也明確了鎂條可以與熱水反應產生氫氣。實驗表明，常溫下金屬鎂不僅能在水溶液中呈酸性銨鹽（強酸弱堿鹽，即（NH4）2SO4、NH4Cl、NH4NO3）溶液里反應。而金屬鎂能否在中性銨鹽（如CH3COONH4）的溶液、堿性銨鹽（如NH4HCO3、（NH4）2CO3）的溶液里發生反應呢？

1.實驗探究為銨鹽的水溶液與金屬鎂反應提供真實的來源

實驗：用滴定管向試管中加入10滴 0.1mol·L-1NH4Cl溶液，用砂紙除去鎂條表面氧化膜，將鎂條投入溶液，開始鎂條表面產生大量的氣體，收集氣體發現氣體具有可燃性（經檢驗其中含H2）。一段時間后，用蘸有濃鹽酸的玻璃棒靠近試管口產生白煙的氣體。將上述實驗中的NH4Cl溶液換成（NH4）2 SO4溶液，實驗的現象完全相同。

結論：開始鎂條表面產生大量的氣體，收集氣體發現氣體具有可燃性，說明是H2。一段時間后，用蘸有濃鹽酸的玻璃棒靠近試管口產生白煙的氣體，產生的是NH3。

反思：一方面，本實驗采用0.1mol·L-1NH4Cl溶液或（NH4）2SO4溶液是防止NH4NO3的酸性溶液中NO3-具有氧化性；另一方面，上述實驗反應產生H2的原因可以從下列兩個方面考慮：

（1）Mg直接與NH4+反應：Mg+2NH4+=Mg2++2NH3↑+H2↑；

（2）NH4+水解出來的H+與Mg反應：NH4++H2O NH3·H2O+H+；Mg+2H+=Mg2++H2↑。

2.理論分析為銨鹽的水溶液與金屬鎂反應作出正確的指導

通過銨鹽的水溶液與金屬鎂反應產生氫氣和氨氣，學生更多地傾向（2）中NH4+水解出來的H+與Mg反應。為了證明Mg直接與NH4+反應成立，學生查閱了資料，已知NH3·H2O的Kb=1.8×10-5，幾種弱酸常溫下的電離平衡常數表1所示：

從表中數據進行分析，對NH4HSO3或（NH4）2SO3溶液來講，Ka大于與Kb，因為NH3·H2O比SO32-或HSO3-的電離常數小，說明SO32-或HSO3-比NH4+水解程度小，所以溶液呈酸性；類似的，Ka小于Kb，溶液成堿性，故NH4HCO3或（NH4）2CO3溶液堿酸性；若Ka等于與Kb，溶液呈中性，如CH3COONH4溶液呈中性，這是因為NH3·H2O和CH3COOH的電離常數相同，說明CH3COO-和NH4+水解程度相同，所以CH3COONH4溶液呈中性。當實驗選擇與Mg反應的銨鹽為CH3COONH4，若實驗過程中也產生H2和NH3，則就可以充分說明是NH4+與直接Mg反應的結果。

學生進行實驗驗證是必然的。用滴定管向試管中加入10滴 0.1mol·L-1 CH3COONH4溶液，用砂紙除去鎂條表面氧化膜，將鎂條投入溶液，鎂條表面產生大量的氣泡。用濕潤的紅色石蕊試紙接觸生成氣體變紅，說明產生了NH3；再用小試管采取排水法收集反應生成的氣體，發現氣體可以燃燒（方法是：將集滿氫氣的小試管用大拇指堵住管口，管口朝下，立即移近酒精燈火焰，試管里的氣體能點燃）。

3.深入探究為銨鹽的水溶液與金屬鎂反應構建完整的知識體系

在前面我們分析了具有酸性的NH4NO3溶液中NO3-可能具有氧化性，將金屬鎂投入NH4NO3溶液中，是否是NO3-氧化金屬鎂呢？

實驗：用滴定管向試管中加入10滴 0.1mol·L-1NH4NO3溶液，用砂紙除去鎂條表面氧化膜，將鎂條投入溶液，鎂條表面產生大量的無色氣體。收集氣體進行可燃性實驗，其氣體不可燃，并使帶火星的木條復燃；進行NH3檢驗實驗，其氣體不含NH3；氣體接觸空氣不變棕紅色。

結論：金屬鎂投入NH4NO3溶液中不再產生氫氣和氨氣，氣體也不是一氧化氮或二氧化氮，而是另有其他。

通過資料查閱發現，在微弱的酸性環境下NO3-被Mg還原生成N2O、N2等物質。其發生反應的離子方程式可以表示為：4Mg+10H++2NO3-=4Mg2++N2O↑+5H2O或5Mg+12H++2NO3-=5Mg2++N2↑+6H2O。因為實驗比較復雜，這里就不再狗尾續貂了。

另外，在堿性條件下的銨鹽與金屬鎂的反應又是何種結果呢？

實驗：在試管中加入2ml pH=8.2的 NH4HCO3溶液，將除去表面氧化膜的鎂條投入溶液，開始鎂條表面產生大量的氣體，同時有白色固體析出。對產生的氣體進行實驗分析發現，該氣體能夠使澄清的石灰水變渾濁，除去這種氣體之后，還有另一種可以燃燒的氣體，燃燒后生成水。

結論：NH4HCO3溶液與金屬鎂反應生成二氧化碳和氫氣。

反思：NH4HCO3溶液與金屬鎂反應生成二氧化碳和氫氣一定與HCO3-有關。怎樣才能驗證產生二氧化碳和氫氣原因與HCO3-有關呢？可以補充這樣的實驗：

（1）在試管中加入2ml pH=8.2的 NaHCO3溶液，將除去表面氧化膜的鎂條投入溶液，開始鎂條表面產生大量的氣體，同時有白色固體析出。這種實驗現象與pH=8.2的 NH4HCO3溶液的實驗現象完全一樣，說明與NH4+無關。

（2）將pH=8.2的 NaOH溶液中加入除去表面氧化膜的鎂條，沒有氣體產生。說明產生的H2與OH-沒有關系。

學生查閱資料發現，析出的白色固體為Mg2（OH）2CO3。這完全可以用高中化學知識作以解釋：因為NH4HCO3溶液中存在HCO3- H++CO32-平衡，Mg與H+反應生成了Mg2+，降低了H+的濃度，使平衡正向移動；同時溶液中存在HCO3-+H2O H2CO3+OH-，溶液中的Mg2+、OH-、CO32-結合就產生了難溶的Mg2（OH）2CO3。

為了確定NH4HCO3溶液與金屬鎂反應析出的白色固體是Mg2（OH）2CO3，學生又補充了下列實驗：

某學生設計了圖1所示裝置來探究白色固體的熱分解情況（夾持儀器省略）。打開K，先通入一段時間氮氣，然后，用酒精燈在A處加熱玻璃管，觀察B瓶溶液變渾濁，說明白色體分解產生CO2。待實驗完畢后，繼續通入氮氣至玻璃管冷卻，在硬質玻璃管的右側的內壁發現了液滴。

圖1實驗說明該析出的白色固體分解產生了水和二氧化碳，但不能說明就一定是Mg2（OH）2CO3，因為MgHCO3分解也會產生相同的現象。

該小組對上述裝置又進行簡單改進后（如圖2），作了白色固體的定量探究。連接儀器、裝藥品，打開止水夾K，通入氮氣，加熱玻璃管。當C中硬質玻璃管的右側的內壁不再有液滴時，停止加熱，繼續通入氮氣至玻璃管冷卻。

為了確定其固體組成，在實驗設計中，學生注意了應先吸收水蒸氣，再吸收CO2，實驗D不能選用堿石灰，因為它同時吸收水蒸氣和CO2。在裝置D中應盛放氯化鈣固體，E中盛放堿石灰固體。在這一實驗中學生得出了一組數據如表2所示：

還有更多的實驗正等待著我們去探究、去開發，這里就不一一列舉了。

總之，銨鹽溶液與金屬鎂常見的反應是Mg直接與NH4+反應：Mg+2NH4+=Mg2++2NH3↑+H2↑。然而，在不同的條件下也會有不同的結果，如金屬鎂在與NH4NO3或NHHCO3溶液的反應，就是特例，但是，其反應原理還是有據可循的。我們唯有不斷地反思、不斷地探究，真理就一定會掌握在自己的手中。

參考文獻：

[1]周曉宏，張冬臨，劉曉渝.鎂與銨鹽溶液反應的教學分析[J]. 化學教育， 2007， 28（8）：55.

[2]羅華榮，彭曉玲.探究鎂與氯化銨溶液的反應[J].中學化學教學參考， 2009（8）：50-51.

（作者單位：福建省長樂華僑中學）