摘要：介紹了用鎂條與空氣中的氮氣反應制備氮化鎂的實驗方法，裝置簡單，操作便捷，現(xiàn)象明顯，實驗可在2min內(nèi)完成，十分適合于課堂演示。并通過熱力學分析，對實驗產(chǎn)物中“氮化鎂”表層出現(xiàn)的“外白內(nèi)黃”現(xiàn)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

　　一、問題的提出

　　蘇教版《化學1》“鎂的提取和應用”[1]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(guī)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[2]利用圖1裝置控制空氣對流，《高中化學實驗創(chuàng)新與研究》[3]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(fā)現(xiàn)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(chǎn)物中，效果不是最理想。筆者經(jīng)多次嘗試，設計了一種較為理想的實驗方法，簡單快捷，現(xiàn)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：3Mg+N2=點燃Mg3N22Mg+O2=點燃2MgOMg3N2+6H2O=3Mg(OH)2+2NH3↑

　　三、實驗儀器與藥品

　　蒸發(fā)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(wǎng)。

　　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(fā)皿置于石棉網(wǎng)上，準備好200mL燒杯，燒杯口剛好能扣住蒸發(fā)皿內(nèi)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(fā)皿上方，用燒杯罩住蒸發(fā)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。

　　(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(xiàn)象。(5)將燃燒生成物取少量置于試管中，加入適量水，向試管內(nèi)滴加酚酞試液，觀察現(xiàn)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。

　　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(chǎn)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(fā)皿，阻隔空氣交換。

　　五、實驗結(jié)果分析與解釋

　　1.實驗現(xiàn)象及產(chǎn)物成分分析

　　通過多次實驗發(fā)現(xiàn)，過量鎂條在“密閉”空間內(nèi)燃燒過程中，發(fā)出耀眼的白光，產(chǎn)生大量白煙(燒杯罩牢，不會外泄)，燒杯內(nèi)壁附著一薄層白色固體，蒸發(fā)皿內(nèi)固體產(chǎn)物呈片狀褶皺，幾乎保持三片鎂條緊靠原型，其中最外側(cè)表層呈白色，內(nèi)側(cè)及夾層處有大量黃色氮化鎂固體生成。

　　(1)燃燒產(chǎn)物中Mg3N2的實驗驗證

　　取一片燃燒產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)物中的氧化鎂。

　　(2)燒杯內(nèi)壁上白色固體的成分分析

　　用藥匙刮取燒杯內(nèi)壁上白色固體少許于試管中，重復上述操作，發(fā)現(xiàn)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(nèi)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(chǎn)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(xiàn)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(fā)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(nèi)壁上白色固體是由鎂條燃燒產(chǎn)生的“白煙”沉積而成，而“煙”的形成又主要與金屬單質(zhì)的沸點、純度和“煙”的相對密度、熔點等因素有關。

　　查閱文獻數(shù)據(jù)[4]可知金屬鎂的沸點為1170℃，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(jié)論：燒杯內(nèi)壁附著的白色固體在相對濕度較大的環(huán)境中主要是Mg(OH)2和MgO;而在相對干燥的環(huán)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(qū)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(xiàn)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(chǎn)物中含單質(zhì)碳的直接證據(jù)。

　　2.產(chǎn)物外側(cè)表層“白色固體”成因分析

　　按照上述步驟反復實驗，所得產(chǎn)物始終會出現(xiàn)“外白內(nèi)黃”現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)物“外白內(nèi)黃”，有大量黃色固體存在。

　　分析可能原因為：(1)反應過程中產(chǎn)生“白煙”冷凝后覆蓋在產(chǎn)物表面所致。(2)高溫下發(fā)生反應Mg3N2(s)+3H2O(g)=高溫3MgO(s)+2NH(3g)所致。(3)表層氮化鎂和少量氧氣反應2Mg3N(2s)+3O2(g)=高溫6MgO(s)+2N(2g)生成氧化鎂所致。計算得2Mg3N(2s)+3O(2g)=高溫6MgO(s)+2N(2g)的熱力學數(shù)據(jù)如下：ΔrGӨm=-2614(kJ·mol-1);ΔrHӨm=-2687.4(kJ·mol-1);ΔrSӨm=-246.2(J.k-1·mol-1);逆反應反轉(zhuǎn)溫度T=10917.4(K)。

　　分析上述數(shù)據(jù)，很容易發(fā)現(xiàn)氮化鎂燃燒為低溫自發(fā)反應，即氮化鎂在高溫有氧環(huán)境中會自動轉(zhuǎn)化為氧化鎂，而要由氧化鎂和氮氣再逆向轉(zhuǎn)化生成氮化鎂，條件要求則很高，反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化得到氮化鎂。

　　綜上分析，產(chǎn)物外側(cè)表層“白色固體”成因，被“白煙”覆蓋的可能性較小，因內(nèi)層都是黃色固體，而過程中白煙是持續(xù)產(chǎn)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(jié)合理論研究和實驗現(xiàn)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(yōu)點：儀器簡單、操作便捷、現(xiàn)象明顯，十分適合課堂演示或?qū)W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(diào)核心素養(yǎng)導向的課堂教學，實驗無疑是化學課堂上核心素養(yǎng)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(huán)境，實現(xiàn)了氮化鎂制備實驗與性質(zhì)實驗的直觀性、對比性、探究性和簡約性。潛移默化中培養(yǎng)學生的變化觀念和問題意識，引導學生開展實驗創(chuàng)新和基于數(shù)據(jù)演繹的證據(jù)推理，讓學生在思考與實踐中實現(xiàn)素養(yǎng)達成。

　　參考文獻

　　[1]王祖浩.普通高中課程標準實驗教科書·化學1(必修)[M].南京：江蘇教育出版社，2014，6：55-56

　　[2]代冬梅，丁偉.氮化鎂的實驗室簡易制備方法[J].化學教學，2015(3)：50-53

　　[3]林肅浩，趙琦，陸燕海著.高中化學實驗創(chuàng)新與研究[M].杭州：浙江教育出版社，2017：191-196

　　[4]J·A迪安.蘭氏化學手冊(第15版)[M].北京：科學出版社，1991，3

　　化學教學刊物推薦：《化學教學》借助于華東師范大學的優(yōu)秀理論基礎和人才，堅持為全國化學教育工作者提供優(yōu)秀的理念和方法以及化學科學前沿知識，第一個提出“發(fā)展學生智力、培養(yǎng)學生能力”的教學思想。在同類刊物中，率先和化學教學研究會聯(lián)合開會以積極推進教學改革。