几个有关氮元素实验的原理分析和现象解释

由于氮单质及其化合物都较为常见且比较重要，所以在以前的无机化学实验教学中，多将其安排为一个单独的实验。

加之有些实验在中学教学中也会遇到。所以对这些实验中的原理或现象进行一些解释，还是狠有必要的。

一、用金属镁与空气反应制备Mg₃N₂时，会发生哪些反应？反应时为什么要盖好坩埚盖？

有反应（1）Mg + O₂ → MgO，生成自由能ΔfGº(MgO)= -570(KJ·mol^-1)，

反应（2）Mg + N₂ → Mg₃N₂，ΔfGº(Mg₃N₂)= -401(KJ·mol^-1)。

及反应（3）Mg₃N₂ + 3/2O₂ = 3MgO + N₂ ，其自由能变ΔrGº= -1309(KJ·mol^-1)。

从化学热力学角度看，这三个可能的反应中，反应由易到难，依次为（1）、（3）、（2）。

即，在空气中（有O₂存在），只能是当Mg与O₂优先反应后，才能制备出Mg₃N₂。从坩埚中的反应产物组成来看，也是MgO 在上层、外层，而Mg₃N₂处于内层、底层。理论上，产物中MgO与Mg₃N₂的物质的量比约为1:2。也就是说，在7份反应掉的镁中，最多有6份能够变成Mg₃N₂。

所以，做好这个实验的关键在于，要尽量减少Mg与O₂接触，不让反应体系暴露在空气中。

也就是说，反应中加盖坩埚盖是必须的。这样才能防止多余O₂的进入，使N₂不便逸出，有利于Mg₃N₂的生成。而担心盖盖后坩埚内空气不够的疑虑也是多余的。因为坩埚与坩埚盖间不是磨口的，有足够空气从这些缝隙渗入坩埚中，以保证反应的完全进行。

当然，用打开坩埚盖来加速所制得Mg₃N₂的冷却，同样也是不可取的方法。应难免反应产物在未冷下来之前，还有反应（3）的部分进行。

      从反应（3）的存在，及反应（3）的反应趋势要远大于反应（2），这样的两个化学事实。自然还可以得出另一个推论。即，当镁条在一个能与空气充分接触的环境中燃烧时，其产物中是不会含有多少Mg₃N₂的。

二、Mg₃N₂与水反应后所得溶液为什么可使酚酞变色？

Mg₃N₂与水的反应为Mg₃N₂+ 6H₂O = 3Mg(OH)₂ + 2NH₃。产物氨可以使无色的酚酞变红，而Mg(OH)₂也能使酚酞变色吗？

Mg(OH)₂是一种被界定为“不溶”的氢氧化物。其溶度积为Ksp = 1.2×10^-11。

按照一般的由难溶电解质溶度积计算其溶解度的方法，可进行定量的计算。设其溶解度为s，

对溶解平衡Mg(OH)₂ = Mg²⁺ + 2OH^- ，

平衡时                         s         2s

这样有      。

由此可解得s = 1.4×10^-4。

[OH^-]= 2s = 2.9×10^-4 (mol·L^-1)。相当于pH = 10.5。溶液有较强的碱性，可使酚酞变色（变色范围为8.3-10）。

定性地可解释为：Mg(OH)₂作为中强碱，虽然难溶，但其少量的被溶解部分会完全解离，也会使溶液中仍有可观量的[OH^-]浓度。从而能使无色的酚酞变为红色。

    虽然是这样，也还应该再计算一下氨水的pH值。

    如果取0.2gMg₃N₂与5.0ml的水的反应，所得氨水的浓度可计算为：

       0.2÷(24×3 +14×2) ×2÷0.005 = 0.8(mol·L^-1)。

    氨水的浓度并不大，可以认为由于反应放热而损失的氨也不会多。可以直接用这个浓度来计算溶液的pH值。

    查得氨水的Kb= 1.79×10^-5。用最简式可解得[OH^-]= 3.8×10^-3 (mol·L^-1)。相当于pH = 11.6。

    可以看出，氨水的碱性较Mg(OH)₂溶解所造成碱性要更强些，即溶液的碱性主要是氨的存在造成的。

三、用1.0gNH₄Cl与1.0gCa(OH)₂混合加热，理论上能制得多少NH₃？

1.0gNH₄Cl的物质的量为 1/53.5= 1.87×10^-2(mol)。

1.0gCa(OH)₂的物质的量为 1/74= 1.35×10^-2(mol)。

考虑反应 2NH₄Cl + Ca(OH)₂ = CaCl₂ + 2 NH₃ + 2H₂O。

可知Ca(OH)₂是过量的。

如果NH₄Cl能完全反应，会生成1.87×10^-2(mol)的NH₃。其所占体积（标况下）为22.4×1.87×10^-2 = 0.42 (L)。

所以，学生如果是按教材所给的试剂量来进行实验，那么准备用来收集氨气的烧瓶就不得大于250 ml。

应要求学生，即使是性质实验，也要有反应物间配比是否合适的大致估计。避免盲目操作。

四、为什么不用NH₄Cl与NaOH反应来制取NH₃？

第一，NaOH较Ca(OH)₂的成本要高出许多。

第二，块状的NaOH难于与NH₄Cl均匀混合。

第三，用NaOH易造成反应容器的破损。

因为NaOH的熔点只有322℃，在加热中会融化，而较紧密地附着在试管壁上。而反应结束后试管冷却时，其中剩余NaOH与玻璃的膨胀系数又不同，很容易造成试管在此时炸裂。

而粉末状的Ca(OH)₂即使在580℃分解为CaO，也不会有附着在玻璃器壁上的现象。不易引起试管的损坏。

五、用氨气进行喷泉实验的实验要领是什么？

打算用来收集氨气的烧瓶要干燥。

烧瓶中收集的氨气应较纯（通入氨气的玻璃管要插入烧瓶的底部）。

盖上或取下装有氨气烧瓶的橡胶塞时，瓶口始终要保持向下。安装带有胶头滴管和玻璃管的双孔塞时，也应瓶口向下（避免氨气逸出、及空气的混入）。

双孔塞上的玻璃管要有足够的长度。其尖口最好能与烧瓶的底部间，保持有较小的、但又能看清有水柱喷出的，这样的距离。

烧杯中所装的滴有酚酞的水的体积不能太少（不少于烧瓶的容积）。

六、加热NH₄Cl晶体、并用pH试纸检验所逸出气体酸碱性，的实验要领？

试管要固定在铁架台上。以便还能进行用pH试纸检验所逸出气体酸碱性的操作。

NH₄Cl在 340℃时发生反应：NH₄Cl（s）= NH₃（g）+HCl（g）。

但这是一个可逆反应。所以在加热后，在试管底部NH₄Cl晶体减少的同时，在试管上部温度较低区域的管壁上会有白色NH₄Cl晶体析出。

用湿润的pH试纸检验所逸出气体时，会有试纸先呈碱性，后又迅速显酸性的实验现象。这是正常的实验现象。是由于NH₃与HCl的分子量不同，扩散速度不同而造成的。开始时，由于分子量较小的NH₃扩散得更快，会先到达试管口，而使试纸在一开始表现为碱性；其后它与HCl一起到管口，试纸表现的就是NH₄Cl的酸性了。

当然，能在试管口能单独检测出NH₃，这仅仅是瞬间即逝的事情。在实验中不自始至终保持高度的注意力，是不会获取到这一实验信息的。

参考文献

北京师范大学等校. 无机化学实验（第二版）. 高等教育出版社. 1991年