镁条燃烧制备氮化镁的简易方法研究

　　摘要：介绍了用镁条与空气中的氮气反应制备氮化镁的实验方法，装置简单，操作便捷，现象明显，实验可在2min内完成，十分适合于课堂演示。并通过热力学分析，对实验产物中“氮化镁”表层出现的“外白内黄”现象进行理论分析和实验证实。

　　关键词：氮化镁;镁条;空气;实验改进

　　一、问题的提出

　　苏教版《化学1》“镁的提取和应用”[1]介绍了镁能与空气中的氧气、氮气、二氧化碳反应，然而课堂演示实验“镁条在空气中燃烧”，常规操作往往只能看到比较熟悉的白色固体氧化镁，学生对黄色固体氮化镁却很陌生。但教材中并没有镁与氮气反应的演示实验，因此学生缺少必要的感性认识，不利于学生对该知识的理解。如果通过系列实验制备纯净氮气与镁粉反应，固然能够得到氮化镁，然而，这样的实验流程繁琐且费时，显然不适合课堂演示。

　　代冬梅、丁伟[2]利用图1装置控制空气对流，《高中化学实验创新与研究》[3]中利用图2装置控制对流，其原理均是利用过量镁粉在不对流的空气中燃烧(镁条引燃)，耗尽氧气后制得氮化镁。笔者按照上述方法反复试验，发现虽然能够成功制得氮化镁，但是黄色固体量很少，而且镁条引燃过程中会有大量镁粉喷散且燃烧不充分，并有镁粉混杂在产物中，效果不是最理想。笔者经多次尝试，设计了一种较为理想的实验方法，简单快捷，现象明显。

　　二、实验原理

　　在空气中，镁主要是与活泼的氧气反应，而与氮气反应的程度很弱;如若控制空气不对流，消耗掉了空气中的氧气后，则过量的镁与氮气的反应将占到主要作用。涉及的化学反应如下：3Mg+N2=点燃Mg3N22Mg+O2=点燃2MgOMg3N2+6H2O=3Mg(OH)2+2NH3↑

　　三、实验仪器与药品

　　蒸发皿、200mL烧杯、坩埚钳、镁条、酒精灯、酚酞试液、红色石蕊试纸、试管、石棉网。

　　四、实验改进

　　1.实验步骤(1)取6cm长镁条(过量)，打磨光亮，折成Z形，使3片等长镁条紧贴。(2)取蒸发皿置于石棉网上，准备好200mL烧杯，烧杯口刚好能扣住蒸发皿内壁最佳(防止空气对流)。(3)用坩埚钳夹持镁条，引燃后立即移到蒸发皿上方，用烧杯罩住蒸发皿，使镁条与外界空气近乎隔离，待镁条快燃尽时松手移出坩埚钳。

　　(4)静置、冷却后取下烧杯，用镊子或剪刀拨开片状镁条灰烬，观察现象。(5)将燃烧生成物取少量置于试管中，加入适量水，向试管内滴加酚酞试液，观察现象，再将润湿的红色石蕊试纸置于试管口，观察试纸是否变色。

　　2.实验成功的关键点

　　(1)镁条过量且多片折叠，过量镁条一方面消耗掉氧气，同时产生高温，为氮气和镁条反应提供能量。(2)选择合适大小的烧杯罩住蒸发皿，阻隔空气交换。

　　五、实验结果分析与解释

　　1.实验现象及产物成分分析

　　通过多次实验发现，过量镁条在“密闭”空间内燃烧过程中，发出耀眼的白光，产生大量白烟(烧杯罩牢，不会外泄)，烧杯内壁附着一薄层白色固体，蒸发皿内固体产物呈片状褶皱，几乎保持三片镁条紧靠原型，其中最外侧表层呈白色，内侧及夹层处有大量黄色氮化镁固体生成。

　　(1)燃烧产物中Mg3N2的实验验证

　　取一片燃烧产物(黄色固体)于试管中，加适量蒸馏水，立即听到嘶嘶的响声，可见氮化镁剧烈水解，在试管口处用湿润的红色石蕊试纸检验，试纸变蓝，再向试管内滴加酚酞，溶液明显变红，且试管底部有白色固体沉积，正是氮化镁的水解生成的氢氧化镁和原燃烧产物中的氧化镁。

　　(2)烧杯内壁上白色固体的成分分析

　　用药匙刮取烧杯内壁上白色固体少许于试管中，重复上述操作，发现滴加酚酞后溶液略显粉红，在试管底部有固体沉积，而试管口处的湿润的红色石蕊试纸未变蓝色，由此我们猜测烧杯内壁附着的白色固体成分为MgO和少量Mg3N2，因为Mg3N2量很少，所以水解产生的Mg(OH)2和NH3的量也很少，这似乎可以完美的解释上述实验现象。

　　但事实真的是这样吗?上述反应是在近乎密闭的空气中发生的，也就是说与镁条反应的氮气肯定多于氧气，那么猜测Mg3N2量很少显然是不合理的。事实上，附着在烧杯内壁上白色固体是由镁条燃烧产生的“白烟”沉积而成，而“烟”的形成又主要与金属单质的沸点、纯度和“烟”的相对密度、熔点等因素有关。

　　查阅文献数据[4]可知金属镁的沸点为1170℃，镁条在相对封闭的空气中燃烧时固体表面原子会剧烈气化，因此很容易被氧化成相对分子量较小的MgO和Mg3N2，从而形成漂浮在空气中的“白烟”。又因为“白烟”中Mg3N2极易水解，所以实验时空气中H2O量是必须要考虑的因素。

　　至此我们可以得出近乎合理结论：烧杯内壁附着的白色固体在相对湿度较大的环境中主要是Mg(OH)2和MgO;而在相对干燥的环境中主要是Mg3N2和MgO。笔者查阅气象资料显示，实验当天浙江海盐地区空气的相对湿度在65%(中午)~83%(傍晚)，综合上述分析便可对实验现象做出完美的解释。需要指明的是，在不对流的空气中CO2的含量极低，受实验条件所限，本实验中并未观察到产物中含单质碳的直接证据。

　　2.产物外侧表层“白色固体”成因分析

　　按照上述步骤反复实验，所得产物始终会出现“外白内黄”现象，尝试用3根等长镁条，分别以单片、双片(对折)、三片(Z形)同样操作完成实验，单片镁条燃烧产物表面几乎呈白色，只有少许氮化镁外漏，而多片镁条燃烧产物“外白内黄”，有大量黄色固体存在。

　　分析可能原因为：(1)反应过程中产生“白烟”冷凝后覆盖在产物表面所致。(2)高温下发生反应Mg3N2(s)+3H2O(g)=高温3MgO(s)+2NH(3g)所致。(3)表层氮化镁和少量氧气反应2Mg3N(2s)+3O2(g)=高温6MgO(s)+2N(2g)生成氧化镁所致。计算得2Mg3N(2s)+3O(2g)=高温6MgO(s)+2N(2g)的热力学数据如下：ΔrGӨm=-2614(kJ·mol-1);ΔrHӨm=-2687.4(kJ·mol-1);ΔrSӨm=-246.2(J.k-1·mol-1);逆反应反转温度T=10917.4(K)。

　　分析上述数据，很容易发现氮化镁燃烧为低温自发反应，即氮化镁在高温有氧环境中会自动转化为氧化镁，而要由氧化镁和氮气再逆向转化生成氮化镁，条件要求则很高，反转温度需要达到10917K，也就是说该反应可逆性很差，氮化镁不小心就会被氧气氧化，而氮化镁一旦被氧化，则不会再逆向转化得到氮化镁。

　　综上分析，产物外侧表层“白色固体”成因，被“白烟”覆盖的可能性较小，因内层都是黄色固体，而过程中白烟是持续产生的，这与表层白色“很薄”似乎说不通。气象资料显示，实验当时浙江海盐空气湿度为70%，结合理论研究和实验现象分析为“白色固体”成因(2)、(3)可能性更大。由于实验条件所限，尚未做热重法等精确分析。

　　六、实验改进的意义

　　实验改进的优点：仪器简单、操作便捷、现象明显，十分适合课堂演示或学生实验，建议在教材中增加氮化镁制备的演示实验。我们一直强调核心素养导向的课堂教学，实验无疑是化学课堂上核心素养落地的有效载体。

　　本实验通过烧杯来阻隔空气交换，间接改变镁条燃烧的实验环境，实现了氮化镁制备实验与性质实验的直观性、对比性、探究性和简约性。潜移默化中培养学生的变化观念和问题意识，引导学生开展实验创新和基于数据演绎的证据推理，让学生在思考与实践中实现素养达成。

　　参考文献

　　[1]王祖浩.普通高中课程标准实验教科书·化学1(必修)[M].南京：江苏教育出版社，2014，6：55-56

　　[2]代冬梅，丁伟.氮化镁的实验室简易制备方法[J].化学教学，2015(3)：50-53

　　[3]林肃浩，赵琦，陆燕海著.高中化学实验创新与研究[M].杭州：浙江教育出版社，2017：191-196

　　[4]J·A迪安.兰氏化学手册(第15版)[M].北京：科学出版社，1991，3

　　化学教学刊物推荐：《化学教学》借助于华东师范大学的优秀理论基础和人才，坚持为全国化学教育工作者提供优秀的理念和方法以及化学科学前沿知识，第一个提出“发展学生智力、培养学生能力”的教学思想。在同类刊物中，率先和化学教学研究会联合开会以积极推进教学改革。