化学教学中的金属镁及其化合物

镁是一种较为重要的常见元素。教师在化学教学多对其给予一些特殊的关注，是由于其单质及化合物的某些性质，除了有较多的特殊性之外，它们在整个化学知识体系中还起着某些性质转换点这样的作用。

尽管在以往的中学化学教材中也有“镁、铝”这样的一章，但关于镁的这方面内容介绍还是不够系统的、甚或是没有提及。为了帮助学生不只是机械性的记忆一些孤立的化学知识，在教学中教师要能指出镁元素的哪些性质是特点、哪些是转换点，对学生掌握化学知识应该是有很大帮助的。

一、镁在金属活动性顺序表中的位置

学生最早认识镁元素大概是从金属活动顺序表开始的。从最活泼的金属K、Ca、Na开始，排到第四个就是Mg了。但这个活泼性的递减，在Mg处却有了一些要“质变”的味道。

也就是说，我们不妨在Na与Mg间画一条界线，在Mg之前还都是活泼金属，从镁开始就变为较活泼的金属了。

较活泼金属与活泼金属的最主要区别是：

它们与水反应的条件及反应现象是不同的。活泼金属都可以在冷水中剧烈反应。

较活泼的金属（Mg与Al），则都要先把氧化膜去掉，才能与水反应。即便这样，它们与冷水的反应也极慢，反应通常要在加热的情况下来进行。

当金属镁与溴水反应时，没有氢气放出，而是直接发生如下的化合反应、生成溴化镁，这其中就有金属镁与水反应较困难的因素。

    Mg +Br₂=MgBr₂。

从镁开始，包括镁在内，后面的金属就都能在空气中较稳定地存放了。而镁前面的金属都只能在煤油或石蜡中保存。这主要与该金属常温下能否与氧气反应，反应产物是否很致密有关，不属于用金属活动性顺序表来说明的范畴。只是，恰好与这个顺序相同了而已。

二、镁在元素周期表中的位置

金属镁在许多性质上，还会表现的更像金属钠，而不像金属铝。

如，金属镁在CO₂气体中能发生剧烈的燃烧反应。

又如，金属镁在加热的情况下很容易与氮气反应（在加盖的坩埚中加热镁粉，表层是氧化镁、内部就是氮化镁）。这也与Na和Ca相似。

另外，氧化镁的一些化学性质，也是更像氧化钠，而不像氧化铝。

如，MgO与水的反应，MgO+H₂O=Mg(OH)₂（MgO还可作干燥剂）。

又如MgO与二氧化碳气体的反应，MgO+CO₂=MgCO₃ （与生石灰一样）。

都是氧化铝所不能发生的反应。

看来，应该将这些性质看作是ⅠA与ⅡA族元素的性质。也可以说是s区元素的性质，或者说是典型金属元素的性质。这样就将Mg、与p区的Al和其他过渡金属元素区分开来了。

故此，镁的这些性质就不应该与金属活动性顺序表联系起来，最好从元素周期表分区的角度来归纳及记忆。

在一些化学辅助教学资料中可以看到这样的说法，“如果相对应的碱能溶于水，则这个氧化物可以与水直接反应而生成可溶性的碱”。并让学生以此来判断，某氧化物是否能与水发生反应。

用这个“对应碱是否可溶”的标准来衡量氧化镁及氧化钙，就会表现出一些不好解释的“例外”。因为从碱的溶解性表可知，氢氧化镁是不溶，氢氧化钙是微溶的。那么，这两种氧化物与水的反应就被认定为是不能或难于进行的了。这显然与事实不符。

总之，用元素周期表来做这几条性质的归纳，才是比较严谨，且容易被学生所接受的。

三、氢氧化镁的特殊性

氢氧化镁的特殊性主要表现在如下几个方面。

1. 氢氧化镁是一个不溶性的碱

不但在化工生产的实用上可认为它不溶。其通过溶度积所反映出来的溶解性（Ksp=1.8×10^-11）也示远小于碳酸镁（Ksp=3.5×10^-8）及其他的许多不溶性镁盐的（MgF₂的Ksp=6.5×10^-9、MgSO₃的Ksp=3.2×10^-3、Mg₃(PO₄)₂的Ksp=10^-25）^[1]。

这也可以说明，为了精制食盐水而去除其中的Mg²⁺离子，为什么加入NaOH，不但是一个可行的措施、并且是一个很好的方法。

由于在硬水中常含有Mg²⁺离子。所以在讨论硬水软化时，也要用到一些有关Mg²⁺离子的化学知识。

在很早以前的中学化学教材中，曾经把用熟石灰软化暂时硬水的反应方程式写为

Mg(HCO₃)₂+Ca(OH)₂=CaCO₃↓+MgCO₃↓+2H₂O。

这就是没有考虑到氢氧化镁不但是一个不溶碱，其溶解度还小于其一般常见难溶盐，而造成的错误。

后来教材才改成了，Mg(HCO₃)₂+2Ca(OH)₂=2CaCO₃↓+Mg(OH)₂↓+2H₂O。

其实，这不仅是一个所加入的Ca(OH)₂是否足量的问题，而是一个是否准备让Mg²⁺离子沉淀的更完全一些的理论问题。

2. 氢氧化镁溶液有显著的碱性

尽管氢氧化镁是一个不溶性碱，在水中溶解的极少，但其溶解的部分会完全电离，并可以使无色的酚酞指示剂变红。从这个意义上来看，它又不同于其他的不溶性碱。而常把氢氧化镁作为是一个中强碱来看待。

对氢氧化镁的化学性质，既不可归于一般的可溶性碱，也不可归于一般的不溶性碱。

3. 氢氧化镁可以与某些弱酸的酸酐（酸性氧化物）直接发生反应

这是氢氧化镁不同于一般不溶性碱的又一个性质。如，即便是氢氧化镁固体（无论是否有液态的水存在），它都可以与二氧化碳气体发生如下的反应。

Mg(OH)₂+CO₂=MgCO₃+H₂O。

这与Ca(OH)₂与CO₂的相应反应相似。

4. 氢氧化镁不能与一般的可溶性盐进行复分解反应

由于氢氧化镁的溶度积比一般的难溶镁盐的溶度积还要小，所以氢氧化镁不能与一般的可溶性盐（如Na₂CO₃、NaF、Na₂SO₃、Na₃PO₄）发生复分解反应。

可以用一个不便于直接用溶度积判断反应方向的例子来计算一下。

如，反应3Mg(OH)₂+ 2Na₃PO₄=6NaOH+ Mg₃(PO₄)₂，改写为离子方程式后。不难计算出其平衡常数是：。

从这个很小的平衡常数值不难看出，这个反应是不会正向进行的。

5. 氢氧化镁的热分解温度较低

与其他的s区氢氧化物相比较，氢氧化镁的热分解温度也是比较低的（见下表）。

物质	NaOH	Ca(OH)2	Mg(OH)2	Al(OH)3
温度/℃	1378熔化	580分解	350分解	170分解

这与Mg²⁺离子有较多的电荷、较小的半径，导致其极化能力较强有关。

四、镁盐的一些性质

实验室中常见的镁盐有MgSO₄∙7H₂O、Mg(NO₃)₂∙6H₂O及MgCl₂∙6H₂O。

其中较为主要的性质有如下的几点：

1. MgCl₂∙6H₂O的加热脱水^[2]

由于Mg²⁺离子的极化能力很强，在加热MgCl₂∙6H₂O晶体时，它不是简单地脱水，而是会部分的水解。

在408K时的反应为，MgCl₂∙6H₂O=Mg(OH)Cl+HCl+5H₂O

达770K时有反应， Mg(OH)Cl=MgO+HCl。

要得到无水的MgCl₂，必须要在干燥的HCl气流中来加热MgCl₂∙6H₂O。

在这一点上MgCl₂∙6H₂O与CaCl₂∙6H₂O间有显著的不同。

2. Mg(NO₃)₂的热分解反应

在加热分解硝酸盐三种分解模式中，Mg(NO₃)₂的分解形式是很有标志性的。

硝酸盐的第一种反应类型，如2NaNO₃2 NaNO₂+O₂↑。

硝酸盐热分解的产物是亚硝酸盐和氧气。发生这类反应的硝酸盐，恰好就是金属活动性顺序表中，位于Mg前面几个离子的盐。

第二种反应类型，就是以硝酸镁为代表的，如2Mg(NO₃)₂2MgO+4NO₂↑+O₂↑。

硝酸盐热分解的产物是金属氧化物、二氧化氮和氧气。发生这类反应的硝酸盐，恰好就是金属活动性顺序表中的，从Mg²⁺开始一直到Cu²⁺的这些离子。

第三种反应类型，就是硝酸铜后面的硝酸盐，如2AgNO₃2Ag+2NO₂↑+O₂↑。

硝酸盐热分解的产物是金属单质、二氧化氮和氧气。

3. 关于Mg²⁺离子的水解

从酸碱质子理论的观点来看，金属离子的水解性就是该质子酸的酸性。质子酸的酸性与其共轭碱的碱性又成反比关系。

这样，在已知Mg(OH)₂是一个中强碱的情况下，就可以预料到Mg²⁺离子的酸性应该会很弱，其水解的程度会很弱。

实验的数据是，Mg²⁺离子的酸常数为pKa=11.41，相当于Ka=3.9×10^-12。

其他金属离子的相应数据为：

Zn²⁺离子pKa=8.96，Pb²⁺离子pKa=7.8，Fe²⁺离子pKa=6.74，

Fe³⁺离子pKa=2.83，Cu²⁺离子的pKa=8.0，Ca²⁺离子的pKa=12.8^[3]。

可见Mg²⁺离子是一个极弱的质子酸（比Ca²⁺离子稍强）。这样，其可溶性盐的酸性，在一般情况下就可以忽略不计了。

但是，当阴离子会较强烈水解时，那就另当别论了。

如在化学手册的溶度积表中，是没有MgS这种物质的。

在化学手册的化合物性质表中，MgS的颜色栏写的是“红色”，溶解性栏写的是“水解”^[4]。

这就意味着，用金属镁与硫粉反应可得红色的MgS。该MgS在水中会水解，与水发生反应而生成Mg(OH)₂及H₂S。反应为方程式为，

       MgS+2H₂O= Mg(OH)₂+H₂S。

用可溶性Mg²⁺盐与Na₂S溶液反应，就更不会得到MgS了。将与Al³⁺离子的双水解反应极为相似，方程式为，

     Mg²⁺+S^2-+2H₂O= Mg(OH)₂+H₂S。

参考文献

[1] 姚云斌等编. 物理化学手册. 上海科学技术出版社. 1985年

[2] 北京师范大学等校. 无机化学（第三版）. 高等教育出版社. 1992年

[3] J∙ A ∙迪安主编. 尚久方等译. 兰氏化学手册. 科学出版社. 1991年

[4] [澳]G∙H∙艾尔沃德. T∙J∙V∙芬德利编. 周宁怀译. SI化学数据手册. 高等教育出版社.1985年