鎂條燃燒制備氮化鎂的簡易方法研究

王彥軍 施彩娟

摘要：介紹了用鎂條與空氣中的氮氣反應制備氯化鎂的實驗方法，裝置簡單，操作便捷，現象明顯，實驗可在2min內完成，十分適合于課堂演示。并通過熱力學分析，對實驗產物中“氮化鎂”表層出現的“外白內黃”現象進行理論分析和實驗證實。

關鍵詞：氮化鎂;鎂條：空氣;實驗改進

文章編號：1008-0546（2019）05-0089-03

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.05.028

一、問題的提出

蘇教版《化學1》“鎂的提取和應用”Ⅲ介紹了鎂能與空氣中的氧氣、氮氣、二氧化碳反應，然而課堂演示實驗“鎂條在空氣中燃燒”，常規操作往往只能看到比較熟悉的白色固體氧化鎂，學生對黃色固體氮化鎂卻很陌生。但教材中并沒有鎂與氮氣反應的演示實驗，因此學生缺少必要的感性認識，不利于學生對該知識的理解。如果通過系列實驗制備純凈氮氣與鎂粉反應，固然能夠得到氮化鎂，然而，這樣的實驗流程繁瑣且費時，顯然不適合課堂演示。

代冬梅、丁偉利用圖1裝置控制空氣對流，《高中化學實驗創新與研究》中利用圖2裝置控制對流，其原理均是利用過量鎂粉在不對流的空氣中燃燒（鎂條引燃），耗盡氧氣后制得氮化鎂。筆者按照上述方法反復試驗，發現雖然能夠成功制得氮化鎂，但是黃色固體量很少，而且鎂條引燃過程中會有大量鎂粉噴散且燃燒不充分，并有鎂粉混雜在產物中，效果不是最理想。

筆者經多次嘗試，設計了一種較為理想的實驗方法，簡單快捷，現象明顯。

二、實驗原理

在空氣中，鎂主要是與活潑的氧氣反應，而與氮氣反應的程度很弱;如若控制空氣不對流，消耗掉了空氣中的氧氣后，則過量的鎂與氮氣的反應將占到主要作用。涉及的化學反應如下：

三、實驗儀器與藥品

蒸發皿、200mL燒杯、坩堝鉗、鎂條、酒精燈、酚酞試液、紅色石蕊試紙、試管、石棉網。

四、實驗改進

1.實驗步驟

（1）取6cm長鎂條（過量），打磨光亮，折成z形，使3片等長鎂條緊貼。

（2）取蒸發皿置于石棉網上，準備好200mL燒杯，燒杯口剛好能扣住蒸發皿內壁最佳（防止空氣對流）。

（3）用坩堝鉗夾持鎂條，引燃后立即移到蒸發皿上方，用燒杯罩住蒸發皿，使鎂條與外界空氣近乎隔離，待鎂條快燃盡時松手移出坩堝鉗，如圖3。

（4）靜置、冷卻后取下燒杯，用鑷子或剪刀撥開片狀鎂條灰燼，觀察現象，如圖4。

（5）將燃燒生成物取少量置于試管中，加入適量水，向試管內滴加酚酞試液，觀察現象，再將潤濕的紅色石蕊試紙置于試管口，觀察試紙是否變色，如圖5。

2.實驗成功的關鍵點

（1）鎂條過量且多片折疊，過量鎂條一方面消耗掉氧氣，同時產生高溫，為氮氣和鎂條反應提供能量。

（2）選擇合適大小的燒杯罩住蒸發皿，阻隔空氣交換。

五、實驗結果分析與解釋

1.實驗現象及產物成分分析

通過多次實驗發現，過量鎂條在“密閉”空間內燃燒過程中，發出耀眼的白光，產生大量白煙（燒杯罩牢，不會外泄），燒杯內壁附著一薄層白色固體，蒸發皿內固體產物呈片狀褶皺，幾乎保持三片鎂條緊靠原型，其中最外側表層呈白色（如圖6），內側及夾層處有大量黃色氮化鎂固體生成（如圖7）。

（1）燃燒產物中Mg3N2的實驗驗證

取一片燃燒產物（黃色固體）于試管中，加適量蒸餾水，立即聽到嘶嘶的響聲，可見氮化鎂劇烈水解，在試管口處用濕潤的紅色石蕊試紙檢驗，試紙變藍，再向試管內滴加酚酞，溶液明顯變紅，且試管底部有白色固體沉積，正是氮化鎂的水解生成的氫氧化鎂和原燃燒產物中的氧化鎂（如圖8）。

（2）燒杯內壁上白色固體的成分分析

用藥匙刮取燒杯內壁上白色固體少許于試管中，重復上述操作，發現滴加酚酞后溶液略顯粉紅，在試管底部有固體沉積，而試管口處的濕潤的紅色石蕊試紙未變藍色，由此我們猜測燒杯內壁附著的白色固體成分為MgO和少量Mg3N2，因為Mg3N2量很少，所以水解產生的Mg（OH）2和NH3的量也很少，這似乎可以完美的解釋上述實驗現象。但事實真的是這樣嗎？上述反應是在近乎密閉的空氣中發生的，也就是說與鎂條反應的氮氣肯定多于氧氣，那么猜測Mg3N2量很少顯然是不合理的。

事實上，附著在燒杯內壁上白色固體是由鎂條燃燒產生的“白煙”沉積而成，而“煙”的形成又主要與金屬單質的沸點、純度和“煙”的相對密度、熔點等因素有關。查閱文獻數據可知金屬鎂的沸點為1170°C，鎂條在相對封閉的空氣中燃燒時固體表面原子會劇烈氣化，因此很容易被氧化成相對分子量較小的MgO和Mg3N2，從而形成漂浮在空氣中的“白煙”。又因為“白煙”中Mg3N2極易水解，所以實驗時空氣中H2O量是必須要考慮的因素。至此我們可以得出近乎合理結論：燒杯內壁附著的白色固體在相對濕度較大的環境中主要是Mg（OH）2和MgO;而在相對干燥的環境中主要是Mg3N2和MgO。筆者查閱氣象資料顯示，實驗當天浙江海鹽地區空氣的相對濕度在65%（中午）～83%（傍晚），綜合上述分析便可對實驗現象做出完美的解釋。

需要指明的是，在不對流的空氣中CO2的含量極低，受實驗條件所限，本實驗中并未觀察到產物中含單質碳的直接證據。

2.產物外側表層“白色固體”成因分析

按照上述步驟反復實驗，所得產物始終會出現“外白內黃”現象，嘗試用3根等長鎂條，分別以單片、雙片（對折）、三片（z形）同樣操作完成實驗，單片鎂條燃燒產物表面幾乎呈白色，只有少許氮化鎂外漏，而多片鎂條燃燒產物“外白內黃”，有大量黃色固體存在。分析可能原因為：

（1）反應過程中產生“白煙”冷凝后覆蓋在產物表面所致。

分析上述數據，很容易發現氮化鎂燃燒為低溫自發反應，即氮化鎂在高溫有氧環境中會自動轉化為氧化鎂，而要由氧化鎂和氮氣再逆向轉化生成氮化鎂，條件要求則很高，反轉溫度需要達到10917K，也就是說該反應可逆性很差，氮化鎂不小心就會被氧氣氧化，而氮化鎂一旦被氧化，則不會再逆向轉化得到氮化鎂。

綜上分析，產物外側表層“白色固體”成因，被“白煙”覆蓋的可能性較小，因內層都是黃色固體，而過程中白煙是持續產生的，這與表層白色“很薄”似乎說不通。氣象資料顯示，實驗當時浙江海鹽空氣濕度為70%，結合理論研究和實驗現象分析為“白色固體”成因（2）、（3）可能性更大。由于實驗條件所限，尚未做熱重法等精確分析。

六、實驗改進的意義

實驗改進的優點：儀器簡單、操作便捷、現象明顯，十分適合課堂演示或學生實驗，建議在教材中增加氮化鎂制備的演示實驗。

我們一直強調核心素養導向的課堂教學，實驗無疑是化學課堂上核心素養落地的有效載體。本實驗通過燒杯來阻隔空氣交換，間接改變鎂條燃燒的實驗環境，實現了氮化鎂制備實驗與性質實驗的直觀性、對比性、探究性和簡約性。潛移默化中培養學生的變化觀念和問題意識，引導學生開展實驗創新和基于數據演繹的證據推理，讓學生在思考與實踐中實現素養達成。