镁条燃烧制备氮化镁的简易方法研究

王彦军 施彩娟

摘要：介绍了用镁条与空气中的氮气反应制备氯化镁的实验方法，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

文章编号：1008-0546（2019）05-0089-03

中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.05.028

一、问题的提出

苏教版《化学1》“镁的提取和应用”Ⅲ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、丁伟利用图1装置控制空气对流，《高中化学实验创新与研究》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：

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，如图3。

（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，如图4。

（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，如图5。

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（如图6），内侧及夹层处有大量黄色氮化镁固体生成（如图7）。

（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（如图8）。

（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。查阅文献数据可知金属镁的沸点为1170°C，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。分析可能原因為：

（1）反应过程中产生“白烟”冷凝后覆盖在产物表面所致。

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。