探究实验中的一个意外发现------镁与碳酸氢钠溶液反应产生大量氢气
2015-01-25 13:16阅读：
探究实验中的一个意外发现------镁与碳酸氢钠溶液反应产生大量氢气
段昌平
1 问题提出
我们组织学生做浓度均为1mol/L
NaOH、Na2CO3和NaHCO3三种溶液有关性质的探究实验：①取同体积(2mL)上述三种溶液于三支试管中，分别滴加2滴酚酞试剂，观察溶液颜色(NaOH溶液先变为深红色，1分钟内逐渐褪为无色；Na2CO3溶液呈红色，NaHCO3溶液浅红色)
；②向上述加入酚酞后的三种溶液中分别滴加相同浓度的盐酸，观察现象(无色NaOH溶液在滴加盐酸时逐渐变红，继续滴加时红色又褪为无色；向Na2CO3溶液中滴加盐酸，红色逐渐变浅，后来产生气泡，最后红色消失；向NaHCO3溶液中滴加盐酸立即产生气泡，浅红色逐渐褪去)
。③另取上述3种溶液于三支试管中，分别加入铝箔，观察现象(NaOH溶液中开始无明显现象，后来产生大量气泡，铝箔上浮，最后完全反应；Na2CO3、NaHCO3溶液中均无明显变化)。实验中有一个学生从实验老师那里要来了镁片，用砂纸擦去表面氧化膜后，分别加入上述三种溶液中，惊讶地发现，镁片竞在NaHCO3溶液中迅速反应，产生大量气泡。镁片在NaOH、Na2CO3溶液中无明显反应现象。
对于这个意外发现，开始时有些难以置信，因NaHCO3溶液呈碱性，镁不能在碱性溶液中发生反应，且氢氧化镁是难溶物。
为了寻找镁在NaHCO3溶液中反应的化学原理，起初探究学习小组的同学到校图书馆查阅了很多中学教辅资料及大学教科书，没有找到现成答案。后来上网访问了北京师范大学、武汉大学、清华大学等知名大学的化学学院网站，并发出多条求助信息，也没有得到相关的科学答案。至此，一时陷入了沉思。对此，我给同学们打气：不能因没有现成答案而放弃，我们再做探究实验，自己来确认答案。
2 设计实验方案
实践是检验真理的唯一标准。解释所出现的化学实验现象和进一步发现新的实验现象进行论证，唯一方法就是再做相关探究实验。在学校现有条件下，我们设计了以下实验方案：
(1)
收集反应产生的气体，验证气体的化学成分(是H2还是CO2) 。
(2)
做滴加酚酞试剂和未滴加酚酞试剂的蒸馏水和NaHCO3溶液分别与镁反应的两组对比实验，测反应后溶液的pH变化(升高还是降低)
。
(3)配制pH为8-10的NaOH溶液(即滴加酚酞试剂时其溶液颜色与饱和NaHCO3溶液滴加酚酞试剂时颜色相近)，做镁片与之反应的对比实验。
(4)
取其反应后的溶液，检验溶液中是否有CO32-存在。
(5)
继续做滴加酚酞和未滴加酚酞的NaHCO3溶液分别与足量镁反应的对比实验及相应辅助实验，观察其反应过程中可能出现的新变化。
3 进行探究实验
(1)
收集反应产生的气体，确认其化学成分
配制饱和NaHCO3溶液，取溶液(约5mL)于试管中，加入过量擦去表面氧化膜的镁带，反应中产生的气体用排饱和NaHCO3溶液在试管中收集，将余烬木条伸入收集气体的试管口，有轻微爆鸣声。
(2)
检测反应后溶液pH变化
取同量(约2mL)蒸馏水和饱和NaHCO3溶液各两份于4支试管中，分别滴加2滴酚酞试剂，此时NaHCO3溶液呈浅红色。向一份中同时加入过量擦去表面氧化膜的镁带(另一份作对比)，观察到饱和NaHCO3溶液中镁片表面产生气泡速率明显快于蒸馏水中镁片表面产生气泡速率；蒸馏水中镁片表面溶液先变红，至反应停止时整个试管中溶液变为红色。NaHCO3溶液中镁片周围溶液逐渐加深，呈粉红色，至反应停止时镁与水反应所得溶液红色比NaHCO3溶液与镁反应所得溶液红色要深。
(3)做溶液pH与饱和NaHCO3溶液pH相近的NaOH溶液与镁片反应产生氢气速率的对比实验
配制溶液pH与饱和NaHCO3溶液pH相近的NaOH溶液(用酚酞作指示剂)，分别取等体积的该溶液和饱和NaHCO3溶液(滴有酚酞试剂)于两支试管中，将擦去表面氧化膜且大小相同的镁片置于其中，观察到NaOH溶液中产生气泡速率远远比NaHCO3溶液中慢。
(4)
检测反应后溶液中是否有CO32-存在
取饱和NaHCO3溶液与镁片反应后的上层红色清液于另一支试管中，滴加足量BaCl2溶液，立即产生白色沉淀，溶液红色褪去。
(5)
做滴加酚酞和未滴加酚酞的饱和NaHCO3溶液分别与过量镁反应的对比实验及相应辅助实验，观察新的反应现象
①取滴加酚酞和未滴加酚酞的饱和NaHCO3溶液于两支试管中，加入足量擦去表面氧化膜的镁片，使之持续反应，该过程中可观察到前10分钟内产生氢气的速率很快，试管中溶液红色加深，出现浑浊，镁片表面变黑；约半小时后，产生气泡速率明显变缓，试管底部和内壁有较多白色难溶物沉积，此时有少量白色物质附着在镁片表面。2小时后反应几乎停止，试管底部和内壁及镁片表面凝聚有大量的白色难溶物。②反应停止后取出镁片，置于蒸馏水中洗涤，镁片表面附着白色物质不溶；将其置于足量稀硫酸中，镁片表面附着的白色物质迅速溶解，且产生大量气泡(镁片向上浮)。将产生气体通入澄清石灰水中，无明显现象。③用长胶头滴管吸取试管里上层红色清液滴入硫酸中，红色褪去，有气泡产生。④用玻璃棒取出试管底部的白色难溶物于足量稀硫酸中，白色固体溶解，产生气泡。
4 实验现象分析
由实验(1)知，反应产生的气体是氢气，不是二氧化碳。
由实验(2)知，镁片与NaHCO3溶液反应后使溶液pH升高。其原因是镁片与水反应产生OH-，OH-中和HCO3-产生CO32-，CO32-水解程度比HCO3-水解程度大，致使溶液碱性增强。该认识也可由实验(4)(溶液中有大量CO32-)证实。
由实验(3)知，镁片在NaHCO3溶液中反应产生氢气速率快与HCO3-密切相关，或者是HCO3-直接与镁片反应生成H2、Mg2+、CO32-；或者是镁片与水反应产生的OH-立即被HCO3-中和掉，促进了镁片与水的反应，使产生氢气速率快。根据镁片直接与水反应所得溶液仍澄的现象，说明生成的Mg(OH)2除溶于水形成饱和溶液外，溶液中没有悬浊的Mg(OH)2，形成饱和溶液后再产生的Mg(OH)2则附着在镁片表面，最终阻止反应进行。若镁片直接与HCO3-反应必生成MgCO3(Mg+2
HCO3-=MgCO3+H2↑+CO32-)，当溶液饱和后，MgCO3附着在镁片表面，溶液仍澄清，而现实反应中溶液变浑浊，由此否定了第一种假设的可能性。
由实验(4)知，镁片与NaHCO3溶液反应后溶液中确实是产生了大量CO32-，其原因是Mg(OH)2与NaHCO3反应所致。
实验(5)①中产生的白色难溶物有三种可能：一是镁片与水反应产生的Mg(OH)2，二是镁片与水反应产生的Mg(OH)2与NaHCO3溶液反应生成的MgCO3，三是镁片与水反应产生的Mg(OH)2与NaHCO3溶液反应生成的Mg2(OH)2CO3。Mg(OH)2是中强碱，由于溶液中有大量HCO3-存在，镁片与水反应产生的OH-会立即与HCO3-反应，故否定了Mg(OH)2的存在。数据显示，Mg(OH)2的溶度积比MgCO3小[MgCO3：Ksp=2.6×10-5(20℃)
、Mg(OH)2：Ksp=1.2×10-11(18℃)]，理论上MgCO3难以存在。由于镁片与水反应产生了Mg2+和OH-，OH-与HCO3-反应又产生了CO32-，溶液中有一个Mg2+、OH-、CO32-同时存在的过程，在这种情况下这三种离子更容易反应生成碱式碳酸盐[1]，由此可推断该白色难溶物应是碱式碳酸镁[Mg2(OH)2CO3]。
实验(5)①中为什么到后来才有白色难溶物覆盖在镁片表面呢？从原理上讲，反应体系中只要有Mg2+生成就一定有沉淀物析出，且该沉淀物应在镁片表面，为何沉淀物生成后未覆盖在镁片表面而是进入溶液中形成悬浊液呢？其原因是镁片表面上产生了大量气体，气流冲动液体，使产生的Mg2+及生成的难溶物离开镁片表面，进入溶液中，直至到后来反应变慢才有沉淀物落在镁片表面上。
实验(5)②的现象不能否定镁片表面覆盖物中不存在碱式碳酸镁，因其表面难溶物量少，且CO2密度较大，生成的CO2大量滞留在反应试管中，故澄清石灰水中看不到明显的现象。
实验(5)③、④的现象分别证明反应后溶液中存在大量Na2CO3，生成的白色难溶物是含有CO32-的难溶盐。
5 结论
基于以上分析，可得出以下结论：
①镁片是直接与水反应生成Mg(OH)2和氢气，生成的Mg(OH)2再与NaHCO3反应生成碱式碳酸镁、碳酸钠和水。
②反应的化学方程式为：
Mg+2H2O=Mg(OH)2+H2↑
2Mg(OH)2+2NaHCO3=
Mg2(OH)2CO3+Na2CO3+2H2O
溶液中总的化学方程式(净反应)可表示为：
2Mg+2NaHCO3+2H2O=
Mg2(OH)2CO3+Na2CO3+2H2↑
参考文献：
[1] 北京师范大学、华中师范大学、南京师范大学无机化学教研室编无机化学(下册).
第四版，北京：高等教育出版社，2003： 568
发表于《化学教育》2012.08
