氮化镁的问题探讨论文
氮化镁的问题探讨论文 摘要:在空气中点燃Mg条,看不到生成的淡黄色Mg3N2,原因是生成大 量MgO的同时,生成Mg3N2的量却很少,并且Mg3N2受热易升华。建议教材或 教师教学用书中增加Mg在空气中燃烧生成Mg3N2的演示实验。关键词:淡黄色粉末;
800℃分解;
700℃升华;
实验探究 中学化学中经常遇到利用氮化物的性质、制备等设计的系列问题,主要表 现为三种设计倾向:一是性质利用型,如用氮化物与水反应的产物构建框图推断 题,主要有AlN、AgN3(叠氮化银)或Ag3N等。二是计算型,如高考题Mg3N2与 水反应的计算以及Mg在不同气体中燃烧后产物质量的比较分析等。三是实验探 究型,如Mg燃烧产物的探究等。
由于对Mg3N2的理化性质研究不够深入,加之许多的命题者想当然,导致 由Mg3N2设计的系列试题存在不少问题。主要表现有:一是Mg在空气中燃烧后 的问题,由于产物收集困难(挥发或以烟的形式散发),实际状况与理论状况差异 很大;
二是Mg在空气中燃烧产物究竟是什么还值得探讨。
有老师通过热力学计算及分析,得出Mg能和N2反应生成Mg3N2的结论[1], 笔者在空气中点燃Mg条,看到有淡黄色的Mg3N2生成[2]。可是,至今不少人对 Mg3N2的了解还比较肤浅,不够深刻,有的甚至有误解。下面是本人对Mg3N2 的一些研究。
1教材中的Mg3N2 实验室里可以用加热Mg(NH2)2来制备Mg3N2:
一般中学实验室里没有Mg(NH2)2,故此法不常用。
分析新课程标准要求下的高中化学教材,虽然“新课标”中没有提及Mg, 但是人教版以Mg条在空气中燃烧的图片,要求学生写出所发生反应的化学方程 式[3];
苏教版呈述为“镁是活泼的金属,可以与某些非金属单质、酸等物质发生 反应3Mg+N2 Mg3N2”[4]。可见教材的编著者和广大教师一样,不仅认为Mg是一种重要 的金属单质,还对在空气中点燃金属Mg有太多的印象,因为这是我们大家学习化学接触到的一个重要实验。
但遗憾的是,教材和教学参考用书未介绍Mg3N2的理化性质;
实验室中没 有Mg3N2成品,许多老师没有见过Mg3N2,客观导致了许多人对Mg3N2认识的 偏差。
2实验中的Mg3N2 由于受到学生认知水平的限制,初中阶段教师只讲解生成物是MgO,高中 阶段再次讲授Mg在空气中燃烧,都会进一 步讲解有Mg3N2生成。近年来不少书籍、期刊有关于Mg3N2知识的阐述, 观点较多。不少老师因为方法不当,实验时未看到生成的淡黄色粉末,采用“以 讲代做”,选择了回避或者想象应该有Mg3N2生成。面对“在空气中点燃Mg条, 为什么看不到生成的淡黄色Mg3N2”的疑问,有的甚至作出“Mg3N2在800℃时可 分解成Mg和N2,Mg燃烧的火焰温度高于800℃,那么即使生成Mg3N2,其在800℃ 时可分解成Mg和N2,Mg燃烧的火焰温度高于800℃,那么即使有生成Mg3N2, 生成的Mg3N2也会分解,即燃烧的最终产物是MgO”的解释。
本人作如下实验设计:
称取自制的3gMg3N2粉末,放在小试管中,小心翼翼地用酒精喷灯加热, 发现淡黄色粉末在逐渐减少。此时,更期待着Mg3N2分解产生的Mg和空气中O2 反应,试管内壁应该出现白色固体,然而固体上方1cm处的管壁却出现明显的淡 黄色粉末,有着与加热NH4Cl惊人相似的现象大家知道NH4Cl受热到340℃,分解 生成NH3与HCl,它们在试管壁上方冷却又重新化合成NH4Cl,莫非Mg3N2也是 如此?资料显示,温度达到300℃时,Mg才能与N2化合,而Mg与O2的化合在常 温下即可,也就是说如果Mg3N2受热分解出Mg,管壁上方就会出现白色粉末, 事实是只看到淡黄色而非白色粉末,所以Mg3N2没有发生分解,而最可能的解释 应该是Mg3N2升华后凝华。(编者按:仅凭以上实验就得出此结论,欠妥。) 本人又查阅相关资料:由《物理化学简明手册》[5]得知,Mg与O2、Mg 与N2反应的反应速率有着很大的差别。两个反应速率公式均为直线型 其中△m为单位面积上质量的增量,k为速率常数,t为时间。
公式适用条件及k值:注:exp是一种函数,表示自然底数e(2.718281……)的幂次方。
运用上述两个经验公式,计算出在475℃、550℃时,生成MgO和Mg3N2 的质量之比分别为2.73×108∶1,虽然笔者目前尚未查找到适用于3500℃的速率 公式,但在空气中点燃Mg条时,两种生成物质量的巨大差异可见一斑。生成大 量MgO的同时,Mg3N2的生成量却很少,很难观察到淡黄色粉末。其次,生成 的很少量Mg3N2在700℃时易升华(上述实验已证实),又使得我们很难观察到淡 黄色粉末。
事实再次说明这样一个简单的道理:既缺乏实验验证,又缺乏理论依据的 猜想,只能是一种伪猜想,违背科学探究精神,这种做法应该引起我们大家的警 惕。
化学教师在日常的教学工作中,不该回避一些看似简单,实质上内涵丰富 的实验。空气中有着大量的N2,一般实验室都有金属Mg、水槽和钟罩,具备了 实验条件。从这样的一个小实验,反映出我们当前中学化学实验研究还缺乏基础 性。看似一些小实验、小问题,我们忽略它的探索性和研究性价值。
3正确认识Mg3N2 众所周知,化学实验教学在化学教学活动中占有很重要的地位。从加强教 师的专业知识、从学生的认知发展水平、改变学生的学习方式、提高学生学习和 参与活动的主动性与积极性出发,建议编著者在编写高中教材或在编写教师教学 用书时,增加在空气中点燃Mg条生成Mg3N2的探究实验[2],并且作出如下说明:
在空气中点燃镁条,不但生成氧化镁,而且还生成氮化镁。氮化镁为淡黄 色粉末或块状物。相对密度为2.712,800℃时分解,在真空中700℃时升华,氮化 镁为离子型化合物,在水中迅速水解:Mg3N2+6H2O=3Mg(OH)2+2NH3↑溶于 酸,不溶于乙醇。
此实验也可以作为学生课余化学探究实验活动之用。
笔者认为,新课程的开展,需要我们踏踏实实地坚守实验这个最基本、最 有效、最能体现学科本位的阵地,让我们为化学新课程的开展做一些实事,这是 当务之急。