爱华网关键词：镁；氯化铵溶液；反应机理；数字化实验
文章编号：1008-0546（2017）04-0087-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.04.030
一、问题提出
把光亮的镁带置于蒸馏水中，常温下即可看到镁带表面有气泡产生，但是观察不到持续的氢气产生。一般认为，这是因为镁和水反应产生的Mg（OH）2覆盖在镁的表面，阻止了镁继续和水反应。若把光亮的镁带置于氯化铵溶液中，则持续有气体产生。许多人认为这是因为氯化铵溶液的酸性溶解了表面的氢氧化镁导致镁持续和水反应。对此，严宣申进行了相关实验：把光亮的镁带置于含2滴酚酞的氯化铵溶液中，可以观察到有气体产生（该气体为氢气）；经过一段时间，溶液由无色变成粉红色，随后溶液颜色变深；期间不间断地产生氢气，只是产生氢气的速度有所减慢；溶液变成红色后仍可以产生氢气[1]。严宣申据此得出结论：并不是因为氯化铵溶液的酸性使镁能够和水持续反应。在严宣申研究的基础上，宁惠丽、周开雄、汪五一、杨华丽[2-5]等人相继通过实验或者理论推导，提出了产物除氢气、氢氧化镁以外还有氨气等观点，但是对镁与氯化铵溶液反应的过程或机理解释不尽相同。
教学实践中也发现，许多学生认为镁能够和氯化铵溶液持续反应是因为氯化铵水解呈酸性，镁与水解产生的氢离子反应产生氢气，这种观点也为许多教师所认同，在有些教学参考资料上也有类似解释[6]。
那么镁放入氯化铵溶液中，反应的过程究竟是怎样的？我们借助数字化实验中的pH传感器、温度传感器和数据分析功能，进行了实验研究和理论分析。
二、研究过程
问题1：镁是先与H+反应吗？
NH4Cl溶液中主要存在H+和大量H2O，镁加入后，是先与水合H+反应，还是先被大量H2O包围，与H2O反应？为了研究这个问题，设计了如下两组实验：
实验①：30mL 1mol/L NH4Cl溶液+0.2g Mg粉，测定反应中溶液pH随时间的变化；
实验②：30mL 1mol/L CH3COONH4溶液+0.2g Mg粉，测定反应中溶液pH随时间变化。
这两组实验的区别在于H+浓度不同，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+浓度基本相同。
实验①、②结果如下图：
（把反应分成两个阶段：pH迅速上升的阶段记作阶段Ⅰ，pH上升缓慢的阶段记作阶段Ⅱ。）
实验①、②结果分析：
从图2数据可知，20s～40s之间是反应主要发生时间段。在此阶段，镁与氯化铵反应曲线的斜率明显大于与醋酸铵反应，说明单位时间内，镁与氯化铵溶液反应时H+浓度的变化明显大于与醋酸铵反应的变化，也就是说，镁与1mol/L NH4Cl溶液的反应速率明显大于镁与1mol/LCH3COONH4溶液的反应速率。这二者中，NH4+浓度、H2O的量是基本相同的，不同的只是H+浓度，H+浓度大的，反应速率快，因此可以认为：镁是先和H+反应的。
会不会是因为Cl-的存在加快了镁与氯化铵溶液的反应速率呢[7]？为回答这一问题，我们又做了实验③：在CH3COONH4溶液中加入1mol/L Cl-，再与镁反应，测定pH变化。
将实验③结果与实验①、②结果合并，得图3：
由图可见，CH3COONH4溶液中有Cl-存在时，反应速率仍不如Mg与NH4Cl溶液的快。因此可知，Cl-的影响可以被排除，还是因为H+浓度大，反应速率快。由此，进一步肯定了上述结论：镁粉加入氯化铵溶液，镁首先与H+反应。
问题2：镁可与水直接反应吗？
接下来考虑镁和氯化铵溶液反应过程中水的作用机理。镁和水直接反应，还是必须经由水电离出的H+？为了解决这一问题，设计如下实验：
实验④：30mL蒸馏水+0.2g Mg粉。测定反应中溶液pH随时间的变化。
实验⑤：30mL蒸馏水+稀NaOH溶液+0.2g Mg粉。测定反应中溶液pH随时间的变化。
实验④、⑤结果见图4和图5：
��验④、⑤结果分析：
由图④、⑤可知，镁与水反应，溶液的pH持续升高，最高值大约为11；即使在碱性条件下，镁仍然继续与水发生反应。此时，溶液中水的电离是受到很大抑制的，据此，我们推测：镁可以直接与水反应，不一定经由电离产生的H+。
结合实验①：0.2g Mg粉与1mol/L NH4Cl溶液反应，观察实验装置和pH曲线，发现当溶液显碱性时，溶液中仍持续产生气泡，且存在大量未反应完的灰黑色镁粉（图6-A），反应结束后镁粉全部消耗，只有白色沉淀Mg（OH）2（图6-B），说明当反应体系中有镁粉存在时，即使溶液呈碱性，反应还是在进行的。这与严宣申先生的发现：“镁与滴有酚酞的氯化铵溶液反应，溶液显粉红色，并逐渐加深”也是一致的。这些实验结果也说明，碱性条件下，镁仍然可以和水反应 。从电极电势的角度也可以证明：
Mg2++2e-[=]Mg Eθ[=]-2.363V 2H++2e-[=]H2↑ Eθ[=]0V
2H2O+2e-[=]H2↑+2OH- Eθ[=]-0.828V
酸性条件下，水的电极电势比镁高2.363V，可以把Mg氧化为Mg2+；中性或者碱性条件下，水的电极电势比镁高1.543V，仍然可以把Mg氧化为Mg2+。进一步肯定我们的推测：镁可以直接与水反应，不一定经由电离产生的H+。
我们还发现，镁与氯化铵溶液反应最后的沉淀并不溶于NH4Cl（取适量反应结束后的悬浊液于试管，加入NH4Cl固体，沉淀不溶解，图6-C），说明“镁与氯化铵反应快是因为生成的氢氧化镁溶解于氯化铵”的说法并不可靠。
问题3：NH4+能加快反应吗？有氨气生成吗？
关于镁与氯化铵的反应分析到这里只剩NH4+了，镁在氯化铵溶液中和氢离子、水都会反应，铵根离子会加快反应吗？反应有氨气生成吗？为了解决这一问题，比较了上述实验②和④反应中溶液pH-时间变化图。
实验②：30mL 1mol/L CH3COONH4溶液+0.2g Mg粉。
实验④：30mL蒸馏水+0.2g Mg粉。
这两个实验的区别在于是否存在NH4+，且两溶液均为中性，控制了pH相同。如果两个实验的曲线近乎重合且实验现象相似，说明NH4+对反应的影响不大，镁不和NH4+反应；反之NH4+参与反应。
实验结果如图7：
实验结果分析：
图7显示镁和水反应比镁和CH3COONH4溶液反应更剧烈（图中显示为斜率更大），说明NH4+在反应速率上的贡献不大。但是镁和氯化铵溶液反应开始时用湿润的红色石蕊试纸检测生成的气体，发现试纸变蓝色，且整个反应过程中用湿润的红色石蕊试纸检测，试纸均变蓝色（图6-D），说明反应过程中持续有氨气产生。由于反应开始阶段温度上升明显，反应后期溶液碱性增大，推测反应中氨气的产生可能与这两个因素有关。
三、小结
综合以上分析，我们发现：镁与氯化铵溶液反应首先与H+反应；镁可直接与水反应不必经由水电离的H+，即使在碱性条件下，镁仍可以与水反应；NH4+不加快镁与水的反应；镁与氯化铵溶液反应持续有氨气放出；镁与氯化铵溶液反应，前阶段主要发生和氢离子的反应，后阶段主要发生和水的反应。
通过数字化实验，可以比较直观地分析出镁和氯化铵溶液反应的内在过程及其产物，将不可视的过程可视化，打破了“镁能够和氯化铵溶液持续反应是因为氯化铵水解呈酸性，水解产生的氢离子溶解了氢氧化镁，使反应持续进行”的认识误区，得到了对镁与氯化铵溶液反应机理的一些认识。
参考文献
[1] 严宣申. 镁和氯化铵溶液的反应[J]. 化学教育，1994，04：35-36
[2] 宁惠丽，闫玉杰. 谈镁与氯化铵溶液的反应[J]. 黑龙江农垦师专学报，1995，04：83
[3] 周开雄. 镁和氯化铵溶液反应的实验研究[J]. 化�W教育，2005，04：53-55
[4] 汪五一. 镁粉与氯化铵溶液的反应分析[J]. 科技信息，2011，30：139-140
[5] 杨华丽. 镁与氯化铵饱和溶液反应产物的探究 [J]. 实验教学与仪器，2016，S1：106-107，123
[6] 化学知识手册，沈阳：大连出版社，1999，272
[7] 杨飞，马宏佳等.镁与盐酸、醋酸反应的激烈程度能说明强弱电解质吗[J].教学仪器与实验，2011，1：32-34
