探究金属镁与铵盐反应的原理

石锦惠

有一定的化学基础者都知道金属镁能够与酸反应产生氢气，进入高中后学生也明确了镁条可以与热水反应产生氢气。实验表明，常温下金属镁不仅能在水溶液中呈酸性铵盐（强酸弱碱盐，即（NH4）2SO4、NH4Cl、NH4NO3）溶液里反应。而金属镁能否在中性铵盐（如CH3COONH4）的溶液、碱性铵盐（如NH4HCO3、（NH4）2CO3）的溶液里发生反应呢？

1.实验探究为铵盐的水溶液与金属镁反应提供真实的来源

实验：用滴定管向试管中加入10滴 0.1mol·L-1NH4Cl溶液，用砂纸除去镁条表面氧化膜，将镁条投入溶液，开始镁条表面产生大量的气体，收集气体发现气体具有可燃性（经检验其中含H2）。一段时间后，用蘸有浓盐酸的玻璃棒靠近试管口产生白烟的气体。将上述实验中的NH4Cl溶液换成（NH4）2 SO4溶液，实验的现象完全相同。

结论：开始镁条表面产生大量的气体，收集气体发现气体具有可燃性，说明是H2。一段时间后，用蘸有浓盐酸的玻璃棒靠近试管口产生白烟的气体，产生的是NH3。

反思：一方面，本实验采用0.1mol·L-1NH4Cl溶液或（NH4）2SO4溶液是防止NH4NO3的酸性溶液中NO3-具有氧化性；另一方面，上述实验反应产生H2的原因可以从下列两个方面考虑：

（1）Mg直接与NH4+反应：Mg+2NH4+=Mg2++2NH3↑+H2↑；

（2）NH4+水解出来的H+与Mg反应：NH4++H2O NH3·H2O+H+；Mg+2H+=Mg2++H2↑。

2.理论分析为铵盐的水溶液与金属镁反应作出正确的指导

通过铵盐的水溶液与金属镁反应产生氢气和氨气，学生更多地倾向（2）中NH4+水解出来的H+与Mg反应。为了证明Mg直接与NH4+反应成立，学生查阅了资料，已知NH3·H2O的Kb=1.8×10-5，几种弱酸常温下的电离平衡常数表1所示：

从表中数据进行分析，对NH4HSO3或（NH4）2SO3溶液來讲，Ka大于与Kb，因为NH3·H2O比SO32-或HSO3-的电离常数小，说明SO32-或HSO3-比NH4+水解程度小，所以溶液呈酸性；类似的，Ka小于Kb，溶液成碱性，故NH4HCO3或（NH4）2CO3溶液碱酸性；若Ka等于与Kb，溶液呈中性，如CH3COONH4溶液呈中性，这是因为NH3·H2O和CH3COOH的电离常数相同，说明CH3COO-和NH4+水解程度相同，所以CH3COONH4溶液呈中性。当实验选择与Mg反应的铵盐为CH3COONH4，若实验过程中也产生H2和NH3，则就可以充分说明是NH4+与直接Mg反应的结果。

学生进行实验验证是必然的。用滴定管向试管中加入10滴 0.1mol·L-1 CH3COONH4溶液，用砂纸除去镁条表面氧化膜，将镁条投入溶液，镁条表面产生大量的气泡。用湿润的红色石蕊试纸接触生成气体变红，说明产生了NH3；再用小试管采取排水法收集反应生成的气体，发现气体可以燃烧（方法是：将集满氢气的小试管用大拇指堵住管口，管口朝下，立即移近酒精灯火焰，试管里的气体能点燃）。

3.深入探究为铵盐的水溶液与金属镁反应构建完整的知识体系

在前面我们分析了具有酸性的NH4NO3溶液中NO3-可能具有氧化性，将金属镁投入NH4NO3溶液中，是否是NO3-氧化金属镁呢？

实验：用滴定管向试管中加入10滴 0.1mol·L-1NH4NO3溶液，用砂纸除去镁条表面氧化膜，将镁条投入溶液，镁条表面产生大量的无色气体。收集气体进行可燃性实验，其气体不可燃，并使带火星的木条复燃；进行NH3检验实验，其气体不含NH3；气体接触空气不变棕红色。

结论：金属镁投入NH4NO3溶液中不再产生氢气和氨气，气体也不是一氧化氮或二氧化氮，而是另有其他。

通过资料查阅发现，在微弱的酸性环境下NO3-被Mg还原生成N2O、N2等物质。其发生反应的离子方程式可以表示为：4Mg+10H++2NO3-=4Mg2++N2O↑+5H2O或5Mg+12H++2NO3-=5Mg2++N2↑+6H2O。因为实验比较复杂，这里就不再狗尾续貂了。

另外，在碱性条件下的铵盐与金属镁的反应又是何种结果呢？

实验：在试管中加入2ml pH=8.2的 NH4HCO3溶液，将除去表面氧化膜的镁条投入溶液，开始镁条表面产生大量的气体，同时有白色固体析出。对产生的气体进行实验分析发现，该气体能够使澄清的石灰水变浑浊，除去这种气体之后，还有另一种可以燃烧的气体，燃烧后生成水。

结论：NH4HCO3溶液与金属镁反应生成二氧化碳和氢气。

反思：NH4HCO3溶液与金属镁反应生成二氧化碳和氢气一定与HCO3-有关。怎样才能验证产生二氧化碳和氢气原因与HCO3-有关呢？可以补充这样的实验：

（1）在试管中加入2ml pH=8.2的 NaHCO3溶液，将除去表面氧化膜的镁条投入溶液，开始镁条表面产生大量的气体，同时有白色固体析出。这种实验现象与pH=8.2的 NH4HCO3溶液的实验现象完全一样，说明与NH4+无关。

（2）将pH=8.2的 NaOH溶液中加入除去表面氧化膜的镁条，没有气体产生。说明产生的H2与OH-没有关系。

学生查阅资料发现，析出的白色固体为Mg2（OH）2CO3。这完全可以用高中化学知识作以解释：因为NH4HCO3溶液中存在HCO3- H++CO32-平衡，Mg与H+反应生成了Mg2+，降低了H+的浓度，使平衡正向移动；同时溶液中存在HCO3-+H2O H2CO3+OH-，溶液中的Mg2+、OH-、CO32-结合就产生了难溶的Mg2（OH）2CO3。

为了确定NH4HCO3溶液与金属镁反应析出的白色固体是Mg2（OH）2CO3，学生又补充了下列实验：

某学生设计了图1所示装置来探究白色固体的热分解情况（夹持仪器省略）。打开K，先通入一段时间氮气，然后，用酒精灯在A处加热玻璃管，观察B瓶溶液变浑浊，说明白色体分解产生CO2。待实验完毕后，继续通入氮气至玻璃管冷却，在硬质玻璃管的右侧的内壁发现了液滴。

图1实验说明该析出的白色固体分解产生了水和二氧化碳，但不能说明就一定是Mg2（OH）2CO3，因为MgHCO3分解也会产生相同的现象。

该小组对上述装置又进行简单改进后（如图2），作了白色固体的定量探究。连接仪器、装药品，打开止水夹K，通入氮气，加热玻璃管。当C中硬质玻璃管的右侧的内壁不再有液滴时，停止加热，继续通入氮气至玻璃管冷却。

为了确定其固体组成，在实验设计中，学生注意了应先吸收水蒸气，再吸收CO2，实验D不能选用碱石灰，因为它同时吸收水蒸气和CO2。在装置D中应盛放氯化钙固体，E中盛放碱石灰固体。在这一实验中学生得出了一组数据如表2所示：

还有更多的实验正等待着我们去探究、去开发，这里就不一一列举了。

总之，铵盐溶液与金属镁常见的反应是Mg直接与NH4+反应：Mg+2NH4+=Mg2++2NH3↑+H2↑。然而，在不同的条件下也会有不同的结果，如金属镁在与NH4NO3或NHHCO3溶液的反应，就是特例，但是，其反应原理还是有据可循的。我们唯有不断地反思、不断地探究，真理就一定会掌握在自己的手中。

参考文献：

[1]周晓宏，张冬临，刘晓渝.镁与铵盐溶液反应的教学分析[J]. 化学教育， 2007， 28（8）：55.

[2]罗华荣，彭晓玲.探究镁与氯化铵溶液的反应[J].中学化学教学参考， 2009（8）：50-51.

（作者单位：福建省长乐华侨中学）