镁燃烧实验现象解析.pdf

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1、镁燃烧实验现象解析 ? 金 ? 卫 ? 红 摘要: 本文对镁燃烧实验现象从热力学角度作了探讨。 关键词: 镁燃烧? 现象 ? 解析 镁条燃烧时除产生耀眼的白光和生成白色烟雾外, 也会十分明显地看到黑烟的冒出, 对此 不少中学教师往往难以解答, 从而成为教学上的疑点。 本文从热力学角度出发, 在理论和实践 上对此现象予以探讨、 解析。 把镁带用砂纸擦去表面氧化物后, 用坩锅钳夹住, 点燃, 就能看到镁在空气中剧烈地燃烧, 发出耀眼的白色强光, 放出大量的热, 生成一种不同于金属镁的白色固态物质 ? 氧化镁, 同 时有白色烟雾产生。 其主要化学反应式如下: Mg( 金属晶体) + 1 2O2( 气

2、体) MgO( 离子晶体) + 热 由生成焓的定义可知, 上述反应的热效应就是 MgO( 晶体) 的生成焓 H?f, MgO即 H?f,MgO = - 601?83KJ!mol- 1。 这就是说, 在标准状态( 标准压力和298K) 下, 当金属镁与氧气化合生成 一摩尔氧化镁时要放出601?83千焦的热量来。 这些热量如何而来?为此, 我们通过玻恩 ? 哈伯循环来看一下它生成过程的各反应式及 其能量变化。 Mg( cr) + 1 2 O2( g) ? ? ? MgO( cr) S Mg( g) I Mg2+( g) - 2e 1 2 D Hf, MgO O( g) + 2e Y + O2-(

3、g) ? ? U= - 3889KJ!mol- 1 ? ? S= 150KJ!mol- 1 I= I1+ I2= 2186KJ!mol- 1 D 2 = 249KJ!mol- 1 Y= Y1+ Y2= 702KJ!mol- 1 ? ? 其中 S 为升能, D 为离解能, I 为电离能, Y 为电子亲和能, U 为晶格能, 它们的数值见上, 故 H?f, MgOS+ I+ 1 2 D+ Y+ U= 150+ 2186+ 249+ 702- 3889= - 602KJ!mol- 1 可见, 氧化镁生成时所放出的大量的热完全来自其晶格能( 焓) , 即来自于 Mg2+( g) 和 !66! 第 17

4、 卷? 第 4 期 Vol. 17? No. 4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 杭州教育学院学报 JOURNAL OF HANGZHOU EDUCATIONAL INSTITUTE ? ? ? ? ? 2000 年 7 月 Jul. 2000 ?收稿日期: 2000? 04? 03 作者简介: 金卫红, 女, 浙江海洋学院海科系, 讲师。 O2-( g) 间因强烈吸引而组成 MgO( cr) 离子晶体时所放出的巨大能量。 因此, 虽然使金属镁从 固态气化为气态原子需要能量, 使气体 Mg 原子变为气体镁离子时也需要能量, 而且使氧气变 为氧原子进而变成氧负离子也同样需要能量,

5、 但由于形成 MgO 晶体时所放出的晶格能实在 太大了, 以致于它不仅补偿了从金属镁变成 Mg2+( g) 和氧气变成 O2+( g) 所需要的各种能量, 而且还有较大剩余。 所以镁在氧气中燃烧时能够放出大量的热和产生很高的温度, 使生产的氧 化镁在高温下因灼热发出强烈的白光, 看起来十分耀眼。 至于镁燃烧时所产生的白色烟雾, 那不是氧化镁, 也与氧化镁无关。 它的产生原因是: 镁不 仅可以与氧气反应, 也可与氮气反应生成氮化镁( Mg3N2) , 这是一种绿灰色粉末, 容易被水分 解而生成 Mg( OH)2和NH3, 因此当金属燃烧时, 特别是当它在有限的空气中燃烧时, 除了生成 氧化镁外,

6、 同进还生成一定数量的氮化镁, 反应式为3Mg+ N2 点燃 Mg3N2, 由于氮化镁易升华, 它与空气蒸汽发生下列反应 Mg3N2+ 6H2O3Mg( OH)2+ 2NH3? 这就是镁燃烧时有一缕缕白色烟雾逸出的原因。 正因为 MgO( cr) 生成热很大, 所以镁与氧化合生成氧化镁晶体的过程, 在能量上是十分 有利的, 因此, 我们有理由推测金属镁也有夺取二氧化碳中氧使与其化合的可能性。 实际上, 我 们正是用金属镁作为还原剂来生产硼、 硅等单质的。 例如: B2O3( cr) + 3Mg( cr)3MgO( cr) + 2B( cr) G= - 541?4KJ!mol- 1 SiO2(

7、cr) + 2Mg( cr)2MgO( cr) + Si( cr) G= - 365?3KJ!mol- 1 因此, 用镁夺取 CO2中氧也应该是没有问题的。 实践证明, 镁完全可以在# 没有助燃性的 CO2中燃烧。 当我们把点着的镁条插入装 CO2的集气瓶中时, 镁能继续很好地燃烧, 并产生大量游离的 碳使瓶中黑烟滚滚。 反应式为: CO2( g) + 2Mg( cr) 点燃 2MgO( cr) + C 由查热力学数据表可知: H?f,CO 2= - 393?51KJ!mol - 1 G?f, MgO2= - 569?57KJ!mol- 1 G?f, CO2= - 394?38KJ!mol-

8、1 因此, 上述反应的吉布斯自由能变 G?m可计算如下: G?m= ? i G?f,i= ( 2 G?f, MgO+ O) - ( G?f, CO2+ O) = 2% ( - 569?57) - ( - 394?38) = - 744?76KJ!mol- 1 0 由上讨论可知, 正因为 CO2的生成焓和生成吉布斯自由能的负值远不如 MgO 晶体来得 大, 所以镁夺取 CO2中氧并产生游离碳的反应在理论上也确是一个 G?m 0 Gm?= ? i Gf,i?= ( - 137?27) - ( - 569?57) = 432?30KJ!mol- 1 0 Sm?= ? iSi?= ( 197?91+

9、32?51) - ( - 26?8+ 5?69) = 209?31KJ!mol- 1 0 由 G?m 0知, 该反应在标准状态下是不能自发进行的。 这主要是 H 0造成的, 即在 298K 条件下反应的吉布斯自由能变中焓因素比起熵因素来, 是矛盾的主要方面, 它决定着 Gm?不可能小于零的事实。 不过, 由于反应的 Sm?也大于零, 而 Gm?= Hm?- T Sm?, 因此当温度升高时 T Sm? 项的值也跟着增大, 一旦它的绝对值超过 Hm?的绝对值时, 就可以使整个反应的 Gm?值小 于零, 从而使常温下能自发进行的反应, 在高温下变成可以自发进行 。 所以, 高温时碳夺取 MgO 中氧

10、的过程是可以实现的。 反过来, 这也可充分说明金属氧化物( 如 MgO) 的热稳定性高并不是绝对的。 正像过去已 经指出的那样, 虽然金属氧化过程是一放热反应, 但却是一个熵变小的过程( 氧是气体, 熵值 大, 生成氧化物后变成固体, 熵值必变小) 。 这类 H 0, S 0的反应, 由 G= H- T S 可知, 在高温下, 当熵因素变为矛盾主要方面后, 同样可以使反应逆转。 此时, 反应的 Gm?是 由负变正, 所以金属氧化过程便不再进行。 相反金属氧化物中金属被还原过程却可以进行, 结 果, 金属氧化物在高温下就被分解, MgO 与碳在高温下的反应就是如此。 这个结论我们也可从金属氧化过

11、程是个放热过程, 升高温度有利于平衡朝吸热方向, 即金 属氧化物被分解方向进行的化学平衡移动原理? ? 勒夏得律原理中得到。 但所有这一切并不影响上述关于镁燃烧时黑烟的形成是由于产生了游离碳的推断。 因为 正像上面一再指出的, 碳要再夺取 MgO 中氧或者使金属氧化反应不再进行, 是有一定条件 的, 这就是高温。 只有让各反应物都处在高温下并能够进行反应才成。 而镁燃烧时的实际情况 是, 几乎所有的游离的碳生成后马上成为黑烟跑掉了, 脱离了反应区, 没有高温的条件, 当然也 就不会再有什么 MgO 被碳还原的反应进行了。 或者说, 金属 Mg 在 CO2中的氧化过程由于产 物碳的离开, 而使反

12、应能不断进行, 并不再逆转了。 所以, 高温下碳虽然也可夺取 MgO 中的氧, 而且工业上电热制镁法的实质就是在电炉的 高温下用碳来还原 MgO 中的 Mg, 但这个事实并不能推翻镁燃烧时, 黑烟是由游离碳产生的 推断, 也不与镁在点燃条件下能夺 CO2中氧的结论相矛盾。 综上所述, 镁在点燃的燃烧条件下, 除与氧化合生成 MgO 放出大量热, 并使其灼热放出 强烈白光外, 也可与空气中的氮气反应, 生成易于升华挥发的 Mg3N2, 它再与空气中的水蒸汽 作用, 产生缕缕白色烟雾, 这是实验的主要现象; 另一方面, 在上述条件下, 镁也能与空气中二 氧化碳反应, 并夺取其中的氧生成氧化镁和游离的碳, 使燃烧冒出黑烟, 而且空气中二氧化碳 !68! 杭州教育学院学报 含量较高, 这种镁燃烧时冒黑烟的现象也越明显, 这就是镁燃烧时为什么会冒黑烟的原因。 注释: 1 曹素枕. 无机化学. 北京: 高等教育出版社, 1987. 103. 2 G. B.HERPACOB. 普通化学教程. 北京: 高等教育出版社, 628. 3 杨晓驰. 物理化学. 西安: 陕西师范大学出版社,1991. 107, 437. !69! 金卫红: 镁燃烧实验现象解析