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摘要：以实证方式探究了金属镁在空气中燃烧时生成大量白烟的组成，介绍了三种使镁在空气中燃烧生成较多黄色氮化镁固体的切实可行的实验方法，并对Na、Mg、Al、Fe、cu等金属单质燃烧时在能否成烟问题上现象迥异的原因进行了探析。
关键词：镁的燃烧；白烟；氮化镁
文章编号：1005-6629(2012)8-0051-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
1 提出问题
在初中化学学习时我们就已掌握，镁是一种活泼的金属，容易与非金属单质、酸等物质发生反应。其中，在空气中点燃镁条的实验现象我们耳熟能详：剧烈燃烧，发出耀眼的白光，同时生成大量白烟。
新版高中《化学1》(必修)教材中安排了“镁的提取及应用”的教学内容，课后我们几位学生激烈地讨论了课上镁条在空气中燃烧的现象，大家都很困惑，实验过程中生成的白烟的成分是什么?为什么镁的燃烧会白烟袅袅，而铝、铁等金属单质燃烧却似乎并不明显?在化学老师的鼓励、支持和指导下’’我们利用周末等课余时间走进实验室，对镁条在空气中燃烧的实验进行深入探究。
2 探究过程
2.1 白烟成分探究
众所周知，金属镁除能与氧气反应外，也能与空气中的N1反应生成氮化镁，与CO2反应产生氧化镁与单质碳，即：3Mg N2＝Mg3N2，2Mg CO2＝2MgO C。其中，氮化镁为黄色固体，极易与水反应生成Mg(OH)和NH3。
2.1.1 成分猜想
镁是一种活泼的金属，在空气中燃烧后的固体产物中除氧化镁外，可能含有氮化镁和碳。收集空气中镁燃烧产生的白烟，与水(或酸)混合，若能检测到NH3(或NH4)，则能证明白烟中有氮化镁；若有不溶于水(或稀酸)的黑色固体，则说明含碳。
2.1.2 实验探究
(1)实验室的镁带因长期放置在空气中，表面氧化生成了一层灰黑色物质碱式碳酸镁【Mg2(OH)2CO3】。做燃烧实验时，把镁带先用砂纸擦亮去除表面氧化膜，再用剪刀将其中一端按图1中方式(任选其一)剪裁，这样处理有助于快速点燃镁带并充分燃烧。
(2)如图2所示装置。三脚架上放一薄钢片，将点燃的镁带放在钢片上后立即在上面倒扣上一个三角漏斗。仔细观察镁的燃烧情况。适时把漏斗提上(使空气进入)再放下，以调节空气的量，使镁条充分燃烧。燃烧过程中，若在漏斗口放一湿润的红色湿润试纸，颜色变为淡蓝紫色，说明有少量碱性气体NH3生成。
(3)重复步骤(2)操作约3－4次，漏斗内壁附着的固体粉末已较厚。仔细观察粉末色态，为白色蓬松状，并未夹杂黑色(炭)颗粒。用药匙刮取约2 g固体，加适量蒸馏水，片刻后管口处湿润的红色石蕊试纸变淡蓝色，振荡试管仍为白色浊液；继续向上述试管加稀盐酸，不产生气泡，溶液逐渐澄清；若再用NaOH溶液调节澄清液pH至碱性，出现大量白色的氢氧化镁沉淀，加镁试剂(对硝基苯偶氮苯二酚，紫红色)2—3滴呈蓝色。结果说明，样品中含大量MgO，并含少量Mg3N2。
(4)若改用镁粉代替镁条重复实验，除镁粉燃烧更剧烈、红色石蕊试纸变色相比更明显外，其余现象均同上。即无论镁粉还是镁条，在空气中燃烧的产物一致。
2.1.3 探究结论
综上实验表明，镁在空气中燃烧时主要是与氧气化合生成氧化镁，空气中含量最高但化学性质相对稳定的氮气在该实验条件下反应的量较少，且生成的氮化镁还会部分与空气中存在的少量水蒸气继续快速反应产生NH3(使湿润的红色湿润试纸变色)，即较高温度下Mg3N2 3H2O(g)=3MgO 2NH2，导致最终产物中氮化镁含量较低。故而，我们看到的固体产物都千篇一律为纯白色。还需指明的是，空气中CO2含量极低，受实验条件所限，我们的实验中并未观察到产物中含单质碳的直接证据。
在实验探究过程中我们也发现，若要使镁在空气中燃烧生成可见的氮化镁黄色固体，就必须要尽量减少镁与氧气的接触，让镁继而能与氮气充分反应。实验证明，用下面几种方法来制黄色氮化镁固体的效果比较理想。
(1)裁剪一张约6 cm×4 cm大小的方形薄铝片，卷成一端封闭的圆筒状。向铝筒中加入约1 g镁粉，然后将筒口压成扁平的细口状(不密封，只为减少空气对流)。用坩埚钳夹持，用酒精灯充分加热致其燃烧，筒口处有强光和白烟，实验装置见图3(a)。待燃烧完全并冷却至室温后，打开铝筒得夹杂有少量白色粉末的黄色固体颗粒。若向黄色固体上滴蒸馏水(或氢氧化钠溶液)，有浓郁的氨臭味。实验结果说明产物中有较多的Mg3N2。
(2)在石棉网上放一铁坩埚，加入1 g镁粉，用点燃的镁条(长约2 cm)接触镁粉将镁粉引燃。有白光产生，镁粉能保持一段时间的红热状态。在镁粉的红热即将褪尽时，盖上坩埚盖。反应结束待冷却至室温后，打开坩埚盖可得产物是夹杂有白色颗粒的黄色固体颗粒，滴蒸馏水(或氢氧化钠溶液)，有明显的氨臭味。说明产物中Mg3N2含量较多。
(3)按图3(b)，取一根一端已封闭的硬质玻璃管(或硬质试管)，另一端连一气球，玻璃管内放1 g镁粉，略倾斜放置并固定。用酒精灯集中加热镁粉致其燃烧，管内有强光和白烟。实验结束后气球变瘪，玻璃管内得夹杂有白色颗粒的黄色固体，滴蒸馏水(或氢氧化钠溶液)，氨臭味明显，可使湿润的红色石蕊试纸变蓝。实验现象表明产物中含较多的Mg3N2。 2.2 白烟成因探析
为进一步洞悉镁在空气中燃烧会产生大量白烟的原因，我们研究小组在回顾其他一些常见金属单质燃烧特点的基础上，进行了多次重复实验，并仔细观察、对比相关实验现象。
实验1：按上图2装置，在薄钢片上搁放黄豆粒大小的一块金属钠，加热至熔化，待钠球有星火闪现燃烧时，移走酒精灯，立即倒扣上一个漏斗。仔细观察钠燃烧情况，适时把漏斗提上、放下，以调节空气量使钠缓慢而持续地燃烧，漏斗内有白烟。反复多次收集、加热这些白烟，并不见有加热Na2O2那样颜色有淡黄－黄－橙黄－棕黄变化的现象发生，但白烟溶于水呈碱性，说明白烟的主要成分是Na2O(当然不排除可能会有少量Na2O2)
实验2：在石棉网上将2 g铝粉堆成长条形，用酒精灯给一段加热至燃，再移开酒精灯，铝粉发出耀眼白光，但白烟极少。若将铝粉换为铝片或铝箔，在空气中很难点燃，而在氧气中燃烧剧烈，白光耀眼，生成白色固体(Al2O3)，但燃烧过程中并无明显的烟。
实验3：用排水法收集满一集气瓶氧气(在空气中无法点燃铁丝)，铁丝一端缠绕绿豆大小的木炭作引燃物，点燃后放人集气瓶。铁丝燃烧剧烈、快，伴有轻微爆鸣声，火星四射(无烟)，集气瓶底部有黑色固体(Fe3O4)。
实验4：将光亮的红色细铜丝在空气中充分加热，铜丝表面变黑；在氧气中加热也会变黑，但没有发光发热的剧烈的燃烧现象。
实验5：制备并收集氯气。将不同的金属单质加热，放人盛有氯气的集气瓶中，观察实验现象。各金属在氯气中的燃烧情况见下表。
实验1-5的事实表明，钠、镁、铝、铁、铜在氯气中剧烈燃烧的同时都会产生大量的烟，而在空气(或氧气)中点燃时实验现象则各异，仅有金属钠、金属镁会产生白烟，其他金属生“烟”现象不明显。我们查看了这些金属及燃烧产物的一些理化性质与数据(见下表2、表3)。
通过仔细对比分析以上实验结果与文献数据，我们认为金属在气体中燃烧时能否成“烟”，其原因除金属本身活动性有一定影响外，主要与金属单质的沸点和纯度、“烟”的相对密度和熔点等因素紧密相关。
在各金属单质遇氧气氧化过程时，会释放出大量的热，促使温度快速升高而发光。其中金属Na、Mg由于本身洗点相对较低，固体表面原子会发生剧烈气化，会进入空气中迅速氧化成相对密度较小的氧化物，从而形成大量飘浮在空中的烟：金属Al、Cu在与氧气反应时，因金属沸点高、原子气化困难，只在金属表面发生氧化，再者，由于新生成的氧化物熔点高、相对密度大，又无法脱离固体表面逃逸进入空气，因此我们也就无法观察到肉眼可视的“烟”了。如果有了这样的认识，我们也就不难理解，在氯气中点燃这些金属单质时，为什么包括Al、Fe、Cu等单质在内都会形成大量的烟。即这些单质本身沸点虽很高，但由于生成的金属氯化物熔沸点较低，因此在氯气中燃烧时照样会脱离固体表面而出现明显的生“烟”现象。
而至于铁在氧气中燃烧为什么会不同寻常地出现“火星四射”的现象，则是与金属本身纯度有关。我们知道，工业上生产钠、镁、铝一般采用电解法，铁和铜则是高温冶炼法，其中铜还会继续电解精炼。正是这些金属冶炼方法上的差异决定了单质钠、镁、铝、铜的产品通常都相对较纯，特别是含碳量极低，而铁中的碳含量则较高(通常高于2％)。因此，我们在点燃铁丝时，杂质碳也会被氧化为二氧化碳，而二氧化碳气体的生成就会推动周围熔化物向四周飞溅，导致“火星四射”。
参考文献：
【1】王祖浩.普通高中化学课程标准实验教科书《化学2》(必修)【M】.南京：江苏教育出版社，2008
【2】刘怀乐.中学化学教学思维【M】重庆：重庆出版社，2009
【3】马世昌.化学物质辞典【M】.西安：陕西科学技术出版社，2002：747
【4】钱百成.铁丝在氧气中燃烧为什么会火星四射【J】化学教学，2007.(2)：8
关键词：镁的燃烧；白烟；氮化镁
文章编号：1005-6629(2012)8-0051-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
1 提出问题
在初中化学学习时我们就已掌握，镁是一种活泼的金属，容易与非金属单质、酸等物质发生反应。其中，在空气中点燃镁条的实验现象我们耳熟能详：剧烈燃烧，发出耀眼的白光，同时生成大量白烟。
新版高中《化学1》(必修)教材中安排了“镁的提取及应用”的教学内容，课后我们几位学生激烈地讨论了课上镁条在空气中燃烧的现象，大家都很困惑，实验过程中生成的白烟的成分是什么?为什么镁的燃烧会白烟袅袅，而铝、铁等金属单质燃烧却似乎并不明显?在化学老师的鼓励、支持和指导下’’我们利用周末等课余时间走进实验室，对镁条在空气中燃烧的实验进行深入探究。
2 探究过程
2.1 白烟成分探究
众所周知，金属镁除能与氧气反应外，也能与空气中的N1反应生成氮化镁，与CO2反应产生氧化镁与单质碳，即：3Mg N2＝Mg3N2，2Mg CO2＝2MgO C。其中，氮化镁为黄色固体，极易与水反应生成Mg(OH)和NH3。
2.1.1 成分猜想
镁是一种活泼的金属，在空气中燃烧后的固体产物中除氧化镁外，可能含有氮化镁和碳。收集空气中镁燃烧产生的白烟，与水(或酸)混合，若能检测到NH3(或NH4)，则能证明白烟中有氮化镁；若有不溶于水(或稀酸)的黑色固体，则说明含碳。
2.1.2 实验探究
(1)实验室的镁带因长期放置在空气中，表面氧化生成了一层灰黑色物质碱式碳酸镁【Mg2(OH)2CO3】。做燃烧实验时，把镁带先用砂纸擦亮去除表面氧化膜，再用剪刀将其中一端按图1中方式(任选其一)剪裁，这样处理有助于快速点燃镁带并充分燃烧。
(2)如图2所示装置。三脚架上放一薄钢片，将点燃的镁带放在钢片上后立即在上面倒扣上一个三角漏斗。仔细观察镁的燃烧情况。适时把漏斗提上(使空气进入)再放下，以调节空气的量，使镁条充分燃烧。燃烧过程中，若在漏斗口放一湿润的红色湿润试纸，颜色变为淡蓝紫色，说明有少量碱性气体NH3生成。
(3)重复步骤(2)操作约3－4次，漏斗内壁附着的固体粉末已较厚。仔细观察粉末色态，为白色蓬松状，并未夹杂黑色(炭)颗粒。用药匙刮取约2 g固体，加适量蒸馏水，片刻后管口处湿润的红色石蕊试纸变淡蓝色，振荡试管仍为白色浊液；继续向上述试管加稀盐酸，不产生气泡，溶液逐渐澄清；若再用NaOH溶液调节澄清液pH至碱性，出现大量白色的氢氧化镁沉淀，加镁试剂(对硝基苯偶氮苯二酚，紫红色)2—3滴呈蓝色。结果说明，样品中含大量MgO，并含少量Mg3N2。
(4)若改用镁粉代替镁条重复实验，除镁粉燃烧更剧烈、红色石蕊试纸变色相比更明显外，其余现象均同上。即无论镁粉还是镁条，在空气中燃烧的产物一致。
2.1.3 探究结论
综上实验表明，镁在空气中燃烧时主要是与氧气化合生成氧化镁，空气中含量最高但化学性质相对稳定的氮气在该实验条件下反应的量较少，且生成的氮化镁还会部分与空气中存在的少量水蒸气继续快速反应产生NH3(使湿润的红色湿润试纸变色)，即较高温度下Mg3N2 3H2O(g)=3MgO 2NH2，导致最终产物中氮化镁含量较低。故而，我们看到的固体产物都千篇一律为纯白色。还需指明的是，空气中CO2含量极低，受实验条件所限，我们的实验中并未观察到产物中含单质碳的直接证据。
在实验探究过程中我们也发现，若要使镁在空气中燃烧生成可见的氮化镁黄色固体，就必须要尽量减少镁与氧气的接触，让镁继而能与氮气充分反应。实验证明，用下面几种方法来制黄色氮化镁固体的效果比较理想。
(1)裁剪一张约6 cm×4 cm大小的方形薄铝片，卷成一端封闭的圆筒状。向铝筒中加入约1 g镁粉，然后将筒口压成扁平的细口状(不密封，只为减少空气对流)。用坩埚钳夹持，用酒精灯充分加热致其燃烧，筒口处有强光和白烟，实验装置见图3(a)。待燃烧完全并冷却至室温后，打开铝筒得夹杂有少量白色粉末的黄色固体颗粒。若向黄色固体上滴蒸馏水(或氢氧化钠溶液)，有浓郁的氨臭味。实验结果说明产物中有较多的Mg3N2。
(2)在石棉网上放一铁坩埚，加入1 g镁粉，用点燃的镁条(长约2 cm)接触镁粉将镁粉引燃。有白光产生，镁粉能保持一段时间的红热状态。在镁粉的红热即将褪尽时，盖上坩埚盖。反应结束待冷却至室温后，打开坩埚盖可得产物是夹杂有白色颗粒的黄色固体颗粒，滴蒸馏水(或氢氧化钠溶液)，有明显的氨臭味。说明产物中Mg3N2含量较多。
(3)按图3(b)，取一根一端已封闭的硬质玻璃管(或硬质试管)，另一端连一气球，玻璃管内放1 g镁粉，略倾斜放置并固定。用酒精灯集中加热镁粉致其燃烧，管内有强光和白烟。实验结束后气球变瘪，玻璃管内得夹杂有白色颗粒的黄色固体，滴蒸馏水(或氢氧化钠溶液)，氨臭味明显，可使湿润的红色石蕊试纸变蓝。实验现象表明产物中含较多的Mg3N2。 2.2 白烟成因探析
为进一步洞悉镁在空气中燃烧会产生大量白烟的原因，我们研究小组在回顾其他一些常见金属单质燃烧特点的基础上，进行了多次重复实验，并仔细观察、对比相关实验现象。
实验1：按上图2装置，在薄钢片上搁放黄豆粒大小的一块金属钠，加热至熔化，待钠球有星火闪现燃烧时，移走酒精灯，立即倒扣上一个漏斗。仔细观察钠燃烧情况，适时把漏斗提上、放下，以调节空气量使钠缓慢而持续地燃烧，漏斗内有白烟。反复多次收集、加热这些白烟，并不见有加热Na2O2那样颜色有淡黄－黄－橙黄－棕黄变化的现象发生，但白烟溶于水呈碱性，说明白烟的主要成分是Na2O(当然不排除可能会有少量Na2O2)
实验2：在石棉网上将2 g铝粉堆成长条形，用酒精灯给一段加热至燃，再移开酒精灯，铝粉发出耀眼白光，但白烟极少。若将铝粉换为铝片或铝箔，在空气中很难点燃，而在氧气中燃烧剧烈，白光耀眼，生成白色固体(Al2O3)，但燃烧过程中并无明显的烟。
实验3：用排水法收集满一集气瓶氧气(在空气中无法点燃铁丝)，铁丝一端缠绕绿豆大小的木炭作引燃物，点燃后放人集气瓶。铁丝燃烧剧烈、快，伴有轻微爆鸣声，火星四射(无烟)，集气瓶底部有黑色固体(Fe3O4)。
实验4：将光亮的红色细铜丝在空气中充分加热，铜丝表面变黑；在氧气中加热也会变黑，但没有发光发热的剧烈的燃烧现象。
实验5：制备并收集氯气。将不同的金属单质加热，放人盛有氯气的集气瓶中，观察实验现象。各金属在氯气中的燃烧情况见下表。
实验1-5的事实表明，钠、镁、铝、铁、铜在氯气中剧烈燃烧的同时都会产生大量的烟，而在空气(或氧气)中点燃时实验现象则各异，仅有金属钠、金属镁会产生白烟，其他金属生“烟”现象不明显。我们查看了这些金属及燃烧产物的一些理化性质与数据(见下表2、表3)。
通过仔细对比分析以上实验结果与文献数据，我们认为金属在气体中燃烧时能否成“烟”，其原因除金属本身活动性有一定影响外，主要与金属单质的沸点和纯度、“烟”的相对密度和熔点等因素紧密相关。
在各金属单质遇氧气氧化过程时，会释放出大量的热，促使温度快速升高而发光。其中金属Na、Mg由于本身洗点相对较低，固体表面原子会发生剧烈气化，会进入空气中迅速氧化成相对密度较小的氧化物，从而形成大量飘浮在空中的烟：金属Al、Cu在与氧气反应时，因金属沸点高、原子气化困难，只在金属表面发生氧化，再者，由于新生成的氧化物熔点高、相对密度大，又无法脱离固体表面逃逸进入空气，因此我们也就无法观察到肉眼可视的“烟”了。如果有了这样的认识，我们也就不难理解，在氯气中点燃这些金属单质时，为什么包括Al、Fe、Cu等单质在内都会形成大量的烟。即这些单质本身沸点虽很高，但由于生成的金属氯化物熔沸点较低，因此在氯气中燃烧时照样会脱离固体表面而出现明显的生“烟”现象。
而至于铁在氧气中燃烧为什么会不同寻常地出现“火星四射”的现象，则是与金属本身纯度有关。我们知道，工业上生产钠、镁、铝一般采用电解法，铁和铜则是高温冶炼法，其中铜还会继续电解精炼。正是这些金属冶炼方法上的差异决定了单质钠、镁、铝、铜的产品通常都相对较纯，特别是含碳量极低，而铁中的碳含量则较高(通常高于2％)。因此，我们在点燃铁丝时，杂质碳也会被氧化为二氧化碳，而二氧化碳气体的生成就会推动周围熔化物向四周飞溅，导致“火星四射”。
参考文献：
【1】王祖浩.普通高中化学课程标准实验教科书《化学2》(必修)【M】.南京：江苏教育出版社，2008
【2】刘怀乐.中学化学教学思维【M】重庆：重庆出版社，2009
【3】马世昌.化学物质辞典【M】.西安：陕西科学技术出版社，2002：747
【4】钱百成.铁丝在氧气中燃烧为什么会火星四射【J】化学教学，2007.(2)：8