镁与二氧化碳反应的趣味实验设计

林志勤+李桂林+李国兴

摘要：借鉴并整合了互联网上“大象牙膏”与“镁在干冰中燃烧”两个实验视频的内容，设计了镁在二氧化碳泡沫中燃烧的实验。借用洗洁精的助力以及盐类的水解反应，获得大量的二氧化碳泡沫参与镁条的燃烧反应。实践表明，新的实验设计提升了该实验的趣味性、观赏性、可操作性与安全性。

关键词：镁条；二氧化碳；趣味实验；实验设计

文章编号：1005–6629（2015）7–0051–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

互联网上许多创新有趣的实验视频，其中有些化学实验所需原料简单、实验环境不拘、视觉效果震撼，看了以后让人跃跃欲试，比如“大象的牙膏实验”[1]。又有些实验大胆新奇，操作要求干练迅速，看了以后想试却又担心安全，比如“镁在干冰中的燃烧实验”[2]。如果在自己实验的过程中能够借鉴这些视频中的实验设计，根据实验原理，选择试剂，通过将这些资源综合利用，取长补短，分析各中原因，再加上临场应变也许会帮助自己解决实验中的具体问题，并获得较好的实验效果。2014年10月，我们观摩了在上海大境中学举办的上海-台湾化学实验及教学交流研讨活动，深受台湾与上海几位优秀教师的发言鼓舞。怀着探索实验的心情，带着平时教学中的一些问题，走进实验室动手做了几个实验，使镁条与二氧化碳反应的趣味实验获得了成功。

1.1 灵感的来源——“大象的牙膏实验”

在一定浓度的过氧化氢溶液加入适量的洗洁精，并混入一定量黄颜色的色素，然后将碘化钾溶液迅速倒入盛着过氧化氢溶液的细口瓶中，不可思议的现象发生了：大量黄色的泡沫从瓶口涌出，源源不断就像挤不完的牙膏，因为量多体积大，感觉像是给大象使用的一样。化学原理很简单，过氧化氢也即双氧水，为氢和氧元素组成的一种化合物，碘化钾是催化剂[3]，催化双氧水的分解，分解生成的大量氧气在逸出的过程中遇到洗洁精等发泡剂就会使泡沫喷涌而出。黄色的色素可有可无，只是为了使实验拥有更好的视觉效果。笔者带学生做趣味实验，往往会对实验有所延伸，实验的延伸之一就是通过改变色素的颜色，使大象的牙膏实验更加丰富有趣。实验的延伸之二就是联系初中实验，过氧化氢中加入催化剂后生成了水和氧气，而氧气可以使带火星的木条复燃。用带火星的木条伸进这些充满氧气的泡沫中，复燃现象非常明显。

1.2 瓶颈的限制——“镁在干冰中的燃烧”

“镁在干冰中的燃烧”实验同样令人诧异与震撼，但在网上的火爆程度远不及“大象的牙膏实验”，相关类似的模仿视频也少了很多。笔者也不曾尝试该实验，分析可能原因：干冰作为二氧化碳的固体形态，在家庭或一般的中学实验室不太会有，需要购买干冰。干冰易升华，需低温储存。如果保存在狭小密闭的空间内，有可能瞬间喷发，其爆炸威力不可小觑。在取用的时候最好使用隔温手套，尚需谨慎，以免冻伤[4]。总之干冰的准备与储存以及实验过程中的安全问题成为限制这个神奇实验进一步推广的瓶颈。

1.3 学生的疑惑——二氧化碳可以灭火，镁条着火可以用二氧化碳灭火吗

告诉学生答案并叮嘱学生记住答案往往是很苍白无力的，最好进入实验室，通过实验让他们留下深刻印象，以巩固金属镁的化学性质。如果用碳酸钙和盐酸来制取并收集二氧化碳，则要事先准备好相应的气体发生装置，实验的过程时间将被拉长，操作比较复杂。既然将带火星的木条伸进大象的牙膏里可以复燃，为何不试着将燃着的镁条伸进大象的牙膏呢，要做的只是将泡沫里的氧气换成二氧化碳而已。通过添加不同色素的方法虽然能获得较好的实验视觉效果，但往往会掩盖一些反应的事实真相，使学生对知识的理解产生偏差，所以就联想到利用有颜色的试剂来增强实验的可观性。对有颜色的溶液、快速获得二氧化碳气体、丰富的泡沫、灭火这些因素进行分析，我们完成了“镁在二氧化碳泡沫中燃烧”的实验。

2 实验的原理

2.1 泡沫的制备

水解呈酸性的金属硫酸盐或金属盐酸盐和水解呈碱性的碳酸氢盐相遇会发生强烈的化学反应，在发泡剂洗洁精的助力下将产生大量夹杂着金属氢氧化物沉淀的二氧化碳泡沫喷涌而出，因金属氢氧化物沉淀的颜色不同而形成各种颜色的泡沫。这些泡沫充满容器，并可以保持一段时间不塌陷。泡沫实际上起到了暂时固定、储存二氧化碳气体的作用。

3 实验的步骤

（1）配制饱和的Al2（SO4）3溶液、CuSO4溶液、FeCl3溶液以及饱和的NaHCO3溶液。

（2）取一个100mL的烧杯或锥形瓶，加入少量洗洁精做发泡剂。

（3）取5mL饱和NaHCO3溶液倒入上述烧杯中，然后慢慢倒入饱和Al2（SO4）3溶液，让水解反应产生的泡沫渐渐充满反应容器[查阅数据：20℃时，碳酸氢钠的溶解度为9.6g，估算出如果5mL饱和NaHCO3溶液完全反应，将产生130mL左右的气体，而100mL烧杯的容量一般不止100mL。20℃时，Al2（SO4）3的溶解度为36.4g，密度又比水大，按照反应的化学方程式，只要少量就可以使 NaHCO3反应完全，而过量一点也不会影响CO2的体积。要做的就是确保烧杯底部有少量的液体，而烧杯中绝大部分的体积应该是充满了CO2的泡沫，燃着的镁条就可以全部浸没在泡沫中。我们实验Al2（SO4）3溶液的用量是10mL]。白色泡沫的制备效果见图1。

（4）用燃着的火柴靠近泡沫上方，火柴熄灭。

（5）点燃打磨掉表面氧化膜的镁条，并伸入泡沫中，镁条剧烈燃烧生成白色的疏松的氧化镁，并且在空气中飞扬起来，在白色的泡沫中，Mg与CO2剧烈反应后生成的黑色的炭清晰可见。同时由于燃烧释放的热量促进了盐类的水解，又会有气体产生，泡沫又会上升，可再次进行镁条的燃烧实验。实验效果见图2。

（6）将步骤（3）中的饱和Al2（SO4）3溶液改为饱和CuSO4溶液或者饱和FeCl3溶液，按照上述顺序制备蓝色的泡沫与红褐色的泡沫，泡沫的制备效果见图3、图4，并进行镁条在蓝色泡沫与红褐色泡沫中的反应。实验效果见图5、图6。

4 实验后的反思

（1）试剂来源方便，Al2（SO4）3、NaHCO3、CuSO4、FeCl3是实验室最常见的化学试剂。该实验反应条件不拘，操作简单。配置饱和溶液不仅方便，也因为饱和溶液的浓度大，化学反应速率快，也会使少量体积的溶液反应得到较多的二氧化碳。反应的容器除了选择烧杯、锥形瓶以外，还可以变换容器的形状，如平底烧瓶、量杯、量筒、试管等，当然试剂用量应做相应调整。如果实验中将两种饱和盐溶液同时倒入反应容器中，则有瞬间迸发、反应剧烈与出奇不意的效果。如果选择先后倒入反应容器进行反应，则泡沫不致于喷涌而出，实验桌面可以干净有序一些。

（2）趣味化的实验易于调动学生的学习热情，激活学生创造性的思维。本实验整合了“大象牙膏”与“镁在干冰中的燃烧”两个实验，使得实验操作简单、安全、有趣。在拓展课上做好“大象牙膏”实验以及开发并完成本实验后，兴致正浓的老师和学生认为可以延伸出新的泡泡实验组合，如氧气的泡泡实验、二氧化碳的泡泡实验、少量氢气的泡泡爆鸣实验等。

（3）一个实验往往承载很多的知识，如反应物中一些盐溶液的颜色、生成物金属氢氧化物沉淀的颜色、盐溶液的酸碱性、盐类水解知识的应用以及金属镁的化学性质，当然并不要求一一介绍，可以根据学生的学段或已学的知识做一些取舍。

（4）通过演示镁在二氧化碳中的反应，使学生从中深刻体验到一些实实在在的安全知识，如若镁条着火，是绝对不能使用二氧化碳来灭火的。

（5）三个反应的原理类似，现象却不完全相同。白色泡沫中镁条的燃烧，生成了黑色的碳，由于黑白对比，能清楚观察到碳的生成；蓝色泡沫中镁条的燃烧，犹如海洋中的火焰，颜色赏心悦目；红褐色泡沫中镁条的燃烧最为剧烈。笔者认为FeCl3水解程度大，溶液酸性强，镁条接触泡沫的时候也生成了少量的氢气，所以燃烧时有噗噗的声音。因为有了颜色，视觉冲击力更强，同时三个原理类似的实验放在一起，使得原来的单个实验形成了一个实验组合，其产生的效果也是1+1+1>3。

（6）本实验镁条燃烧有耀眼的白光，对眼睛有一定的刺激性，建议不要多做，建议在后面的几次燃烧实验中戴好墨镜观察。

参考文献：

[1] http：//v.youku.com/v_show/id_XMTYyMjUwMzMy.html.

[2] http：//www.fun.tv/vplay/v-3095295/？ptag=vsogou.

[3]姚子鹏主编.高级中学课本·化学拓展性课程（试用本）[M].上海：上海科学技术出版社，2008：219.

[4]叶燕珠，吴新建，张贤金，汪阿恋.几个初中化学趣味实验及相关探究课题[J].化学教学，2015，（1）：52～54.