镁燃烧实验现象解析

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:

M g(金属晶体)+12O 2(气体)M gO(离子晶体)+热

由生成焓的定义可知,上述反应的热效应就是M gO(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。

∀M g(cr)+12O 2(g) M gO(cr)S M g(g)I 2+(g )-2e 12D H f,Mg O O(g )+2e Y +2-(g) U=-3889KJ !mol -1

S=150KJ !mol -1

I=I 1+I 2=2186KJ !mol

-1D 2

=249KJ !mol -1

Y=Y 1+Y 2=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,MgO S+I+12

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M g 2+(g )和第17卷 第4期

V ol.17 N o.4 杭州教育学院学报

JOURNA L OF HANGZHOU EDUC ATIONAL 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M gO(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,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M g2+(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,同进还生成一定数量的氮化镁,反应式为3M g+N2点燃

Mg3N2,由于氮化镁易升华,

它与空气蒸汽发生下列反应

M g3N2+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M gO(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)+3M g(cr)3Mg O(cr)+2B(cr)

G=-541 4KJ!mol-1

SiO2(cr)+2M g(cr)2M gO(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2M gO(cr)+C

由查热力学数据表可知:H f,CO

2

=-393 51KJ!mol-1

G f,MgO

2

=-569 57KJ!mol-1

G f,CO

2

=-394 38KJ!mol-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=(2G f,MgO+O)-(G f,CO

2

+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,在标准状态下可以自发进行的过程,这与实践结果完全一致;加上空气中总有一些CO2存在,因此镁在空气中燃烧所产生的黑烟,完全可能是由镁夺取CO2中氧后产生的游离的碳造成的。

金卫红:镁燃烧实验现象解析

杭州教育学院学报

需要指出的是,由于各地不同时刻空气中CO2含量可能不同,甚至差异较大,所以产生的黑烟的多少也因地因时而异,有时非常明显,有时可能又不太明显。

那么,这种推断是否与高温下碳也可还原M gO中镁的事实相矛盾呢?

据查&,高温下,碳确也可还原M gO中的镁,反应为

M gO+C CO +M g

该反应类似于Mg与CO2反应的逆过程。经计算,该反应在298K时,

H m= i G f,i =(-110 52)-(-601 83)=491 31KJ!mol-1>0

G m = i G f,i =(-137 27)-(-569 57)=432 30KJ!mol-1>0

S m = iSi =(197 91+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G m 不可能小于零的事实。

不过,由于反应的S m 也大于零,而G m =H m -T S m ,因此当温度升高时T S m 项的值也跟着增大,一旦它的绝对值超过H m 的绝对值时,就可以使整个反应的G m 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M gO中氧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M gO)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G m 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M gO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M gO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,而使反应能不断进行,并不再逆转了。

所以,高温下碳虽然也可夺取Mg O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M gO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