Когда элементарный магний горит на воздухе, он соединяется с кислородом с образованием ионного соединения, называемого оксидом магния или MgO. Магний также может соединяться с азотом с образованием нитрида магния Mg3N2, а также может реагировать с диоксидом углерода. Реакция идет бурно, и образующееся пламя приобретает ярко-белый цвет. В какой-то момент горящий магний использовался для генерации света в лампах-вспышках для фотографий, хотя сегодня их место заняли электрические лампы-вспышки. Тем не менее, это остается популярной демонстрацией в классе.
Напомните аудитории, что воздух - это смесь газов; азот и кислород являются основными составляющими, хотя присутствуют также углекислый газ и некоторые другие газы.
Объясните, что атомы имеют тенденцию быть более стабильными, когда их внешняя оболочка заполнена, то есть содержит максимальное количество электронов. Магний имеет только два электрона во внешней оболочке, поэтому он имеет тенденцию отдавать их; положительно заряженный ион, образованный в результате этого процесса, ион Mg + 2, имеет полную внешнюю оболочку. Кислород, напротив, имеет тенденцию получать два электрона, которые заполняют его внешнюю оболочку.
Обратите внимание: как только кислород получил два электрона от магния, у него будет больше электронов, чем протонов, поэтому он имеет отрицательный заряд. Атом магния, напротив, потерял два электрона, поэтому теперь у него больше протонов, чем электронов, и, следовательно, чистый положительный заряд. Эти положительно и отрицательно заряженные ионы притягиваются друг к другу, поэтому они собираются вместе, образуя структуру типа решетки.
Объясните, что при объединении магния и кислорода продукт, оксид магния, имеет более низкую энергию, чем реагенты. Потерянная энергия излучается в виде тепла и света, что объясняет яркое белое пламя, которое вы видите. Количество тепла настолько велико, что магний может также реагировать с азотом и углекислым газом, которые обычно очень инертны.
Научите свою аудиторию, что вы можете вычислить, сколько энергии высвобождается в этом процессе, разбив его на несколько этапов. Тепло и энергия измеряются в единицах, называемых джоулями, где килоджоуль - это одна тысяча джоулей. Для испарения магния в газовую фазу требуется около 148 кДж / моль, где моль составляет 6,022 x 10 ^ 23 атомов или частиц; поскольку в реакции участвуют два атома магния на каждую молекулу кислорода O2, умножьте это число на 2, чтобы получить израсходовано 296 кДж. Ионизация магния требует дополнительных 4374 кДж, в то время как разложение O2 на отдельные атомы требует 448 кДж. Добавление электронов к кислороду требует 1404 кДж. Сложив все эти числа, вы получите израсходованные 6522 кДж. Однако все это восстанавливается за счет энергии, высвобождаемой при объединении ионов магния и кислорода. в структуру решетки: 3850 кДж на моль или 7700 кДж для двух моль MgO, произведенного реакция. В конечном итоге при образовании оксида магния выделяется 1206 кДж на два моля образовавшегося продукта или 603 кДж на моль.
Конечно, этот расчет не говорит вам, что происходит на самом деле; Фактический механизм реакции включает столкновения между атомами. Но это действительно помогает вам понять, откуда берется энергия, высвобождаемая в этом процессе. Перенос электронов от магния к кислороду с последующим образованием ионных связей между двумя ионами высвобождает большое количество энергии. Реакция, конечно же, включает в себя некоторые шаги, которые требуют энергии, поэтому вам нужно подать тепло или искру от зажигалки, чтобы запустить ее. Как только вы это сделаете, он выделяет столько тепла, что реакция продолжается без какого-либо дальнейшего вмешательства.
Вещи, которые вам понадобятся
- Классная доска
- Мел
Советы
Если вы планируете демонстрацию в классе, помните, что сжигание магния потенциально опасно; это высокотемпературная реакция, и использование углекислого или водяного огнетушителя на магниевом огне на самом деле только усугубит ситуацию.