Kiedy pierwiastkowy magnez spala się w powietrzu, łączy się z tlenem, tworząc związek jonowy zwany tlenkiem magnezu lub MgO. Magnez może również łączyć się z azotem, tworząc azotek magnezu, Mg3N2, a także może reagować z dwutlenkiem węgla. Reakcja jest energiczna, a powstały płomień ma błyszcząco biały kolor. W pewnym momencie płonący magnez był używany do generowania światła w fotograficznych lampach błyskowych, chociaż dziś ich miejsce zajęły elektryczne lampy błyskowe. Mimo to pozostaje popularną demonstracją w klasie.
Przypomnij słuchaczom, że powietrze jest mieszaniną gazów; azot i tlen są głównymi składnikami, chociaż obecny jest również dwutlenek węgla i niektóre inne gazy.
Wyjaśnij, że atomy są bardziej stabilne, gdy ich najbardziej zewnętrzna powłoka jest pełna, tj. zawiera maksymalną liczbę elektronów. Magnez ma tylko dwa elektrony w swojej zewnętrznej powłoce, więc ma tendencję do ich oddawania; dodatnio naładowany jon utworzony w tym procesie, jon Mg+2, ma pełną powłokę zewnętrzną. Natomiast tlen ma tendencję do pozyskiwania dwóch elektronów, które wypełniają jego najbardziej zewnętrzną powłokę.
Zwróć uwagę, że gdy tlen uzyska dwa elektrony z magnezu, ma więcej elektronów niż protonów, a więc ma ujemny ładunek netto. W przeciwieństwie do tego atom magnezu stracił dwa elektrony, więc ma teraz więcej protonów niż elektronów, a zatem ma dodatni ładunek netto. Te dodatnio i ujemnie naładowane jony są przyciągane do siebie, więc łączą się, tworząc strukturę typu kratowego.
Wyjaśnij, że gdy magnez i tlen są połączone, produkt, tlenek magnezu, ma niższą energię niż reagenty. Utracona energia jest emitowana w postaci ciepła i światła, co wyjaśnia wspaniały biały płomień, który widzisz. Ilość ciepła jest tak duża, że magnez może reagować również z azotem i dwutlenkiem węgla, które zwykle są bardzo niereaktywne.
Naucz słuchaczy, że możesz dowiedzieć się, ile energii uwalnia ten proces, dzieląc ją na kilka kroków. Ciepło i energia są mierzone w jednostkach zwanych dżulami, gdzie kilodżul to tysiąc dżuli. Odparowanie magnezu do fazy gazowej zajmuje około 148 kJ/mol, gdzie mol to 6,022 x 10^23 atomów lub cząstek; ponieważ w reakcji biorą udział dwa atomy magnezu na każdą cząsteczkę tlenu O2, pomnóż tę liczbę przez 2, aby uzyskać zużycie 296 kJ. Jonizacja magnezu wymaga dodatkowych 4374 kJ, natomiast rozbicie O2 na poszczególne atomy wymaga 448 kJ. Dodanie elektronów do tlenu zajmuje 1404 kJ. Zsumowanie wszystkich tych liczb daje wydatkowane 6522 kJ. Wszystko to jest jednak odzyskiwane przez energię uwalnianą podczas łączenia się jonów magnezu i tlenu w strukturę sieciową: 3850 kJ na mol lub 7700 kJ dla dwóch moli MgO wytworzonych przez reakcja. Wynik netto jest taki, że tworzenie tlenku magnezu uwalnia 1206 kJ na dwa mole powstałego produktu lub 603 kJ na mol.
Oczywiście ta kalkulacja nie mówi, co się właściwie dzieje; rzeczywisty mechanizm reakcji obejmuje zderzenia między atomami. Ale pomaga ci zrozumieć, skąd pochodzi energia uwalniana w tym procesie. Przeniesienie elektronów z magnezu do tlenu, a następnie utworzenie wiązań jonowych między dwoma jonami, uwalnia dużą ilość energii. Reakcja obejmuje oczywiście pewne etapy, które wymagają energii, dlatego musisz dostarczyć ciepło lub iskrę z zapalniczki, aby ją uruchomić. Gdy to zrobisz, uwalnia tak dużo ciepła, że reakcja trwa bez dalszej interwencji.
Rzeczy, których będziesz potrzebować
- Tablica
- Kreda
Wskazówki
Jeśli planujesz demonstrację w klasie, pamiętaj, że spalanie magnezu jest potencjalnie niebezpieczne; jest to reakcja w wysokiej temperaturze, a użycie gaśnicy z dwutlenkiem węgla lub wodą w przypadku ognia magnezowego w rzeczywistości znacznie go pogorszy.