¿Por qué la solución de reacción de magnesio y ácido clorhídrico diluido es turbia?
Número de artículo: 1005–6629(2016)3–0064–04 Número de clasificación de la Biblioteca de China: G633.8 Código de identificación del documento: b.
Hoy en día, los libros de texto de química de las escuelas secundarias y preparatorias están equipados con experimentos sobre la reacción de metales más activos con ácido clorhídrico diluido o ácido sulfúrico diluido para reemplazar el hidrógeno. Por ejemplo: cuando se analizan las propiedades químicas del magnesio en el libro de texto obligatorio de la escuela secundaria de Jiangsu Education Edition [1], se establece la reacción entre el magnesio y el ácido sulfúrico diluido: coloque un pequeño trozo de tira de magnesio con la película de óxido limpiada en un tubo de ensayo, y luego agregue una cierta cantidad en el tubo de ensayo de ácido sulfúrico diluido y observe el fenómeno.
Cuando los estudiantes se dividieron en grupos, debido a que no había suficiente ácido sulfúrico diluido en el laboratorio, el experimentador eligió temporalmente ácido clorhídrico diluido. ¡Algunos estudiantes informaron que había un precipitado gris en el tubo de ensayo! Después de la clase, el autor pidió a los estudiantes que repitieran todo el proceso experimental: usar un pequeño tubo de ensayo, tomar 4 ml de ácido clorhídrico diluido 0,1 mol L-1, agregar una cinta de magnesio de unos 4 cm de largo, quitar la película de óxido y dejar reposar. por un tiempo. ¡La fruta ha llegado como se esperaba!
¿Por qué se produce un fenómeno tan anormal en un experimento aparentemente simple de una escuela secundaria? En este sentido, después de clase, el profesor y los alumnos realizaron juntos una investigación experimental más profunda.
Experimento 1 En 4 tubos de ensayo pequeños, tomar 4 ml de ácido clorhídrico diluido 0,1 mol L-1, luego agregar un trozo determinado de cinta de magnesio para eliminar la película de óxido, observar el fenómeno y comparar la cantidad. de precipitación. Los resultados se muestran en la Tabla 1.
Conclusión: El experimento 1 muestra que no hay ninguna anomalía en la reacción entre una cierta cantidad de ácido clorhídrico diluido y una pequeña cantidad de magnesio. Sin embargo, al aumentar la cantidad de cinta de magnesio se producirán burbujas durante la disolución, acompañadas. por precipitaciones grises (o blancas). Se puede ver que la cantidad de magnesio es la razón que determina si el sistema es anormal.
Entonces, ¿qué es exactamente la sustancia gris-blanca? Para descubrir las razones, los estudiantes tuvieron una acalorada discusión y finalmente formaron tres puntos de vista representativos, y luego diseñaron experimentos relevantes para su verificación.
2.1 Punto de vista 1: El cloruro de magnesio cristaliza y precipita
Algunos estudiantes creen que debido a la gran cantidad de magnesio metálico, la cantidad de cloruro de magnesio producido después de la reacción es demasiado grande y puede precipitar en una solución sobresaturada. Según el diccionario de química [2], el cloruro de magnesio es un cristal cúbico incoloro. La cantidad de cloruro de magnesio disuelto en 100 g de agua es 54,8 g (20 ℃) y 73,0 g (100 ℃). Esto muestra que el cloruro de magnesio es fácilmente soluble en agua a temperatura ambiente y la concentración de la solución saturada puede exceder los 5 mol·L-1 incluso a 20°C.
Experimento 2: Colocar el tubo de ensayo D en el Experimento 1 por un tiempo prolongado, decantar la solución superior para obtener un precipitado gris y luego agregar 5 mL de agua destilada sin reducir la cantidad de precipitación. Si utiliza un tubo de ensayo pequeño para tomar la misma masa de cloruro de magnesio sólido (analíticamente puro), agregue una cantidad igual de agua destilada, agite suavemente para disolverlo por completo y obtenga una solución transparente.
Se puede ver que el cloruro de magnesio es fácilmente soluble en agua, pero la solubilidad del producto blanquecino es relativamente pobre, por lo que la opinión 1 no es creíble.
2.2 Punto de vista 2: Restos de polvo de magnesio después de la reacción
Si ha realizado experimentos sobre la reacción del papel de aluminio y el ácido clorhídrico, puede que le resulten familiares los siguientes fenómenos: la reacción es violenta , aparecen burbujas y la solución es turbia, con mucho precipitado gris claro. Muchos estudiosos [3, 4] han confirmado que las sustancias de color blanco grisáceo claro pueden reaccionar con ácidos o álcalis fuertes y liberar una pequeña cantidad de burbujas. Por lo tanto, se cree que la suspensión blanquecina debe contener partículas finas de aluminio, que son causadas por una reacción excesiva y la caída de la superficie de la lámina de aluminio. Entonces, ¿el precipitado gris que se produce después de que una cantidad suficiente de magnesio reacciona con ácido clorhídrico diluido también son pequeñas partículas de polvo de magnesio?
Experimento 3: Tome una cantidad adecuada del precipitado gris después del experimento anterior del tubo de ensayo pequeño y agregue 3 ml de ácido clorhídrico diluido 0,1 mol·L-1. El precipitado se disuelve inmediatamente y desaparece. pero no se generan burbujas.
Si la muestra es (o existe) polvo de magnesio, añadir ácido clorhídrico diluido producirá H2. El fenómeno del Experimento 3 muestra que el precipitado gris obtenido después de la reacción de suficiente magnesio con ácido clorhídrico diluido no es un polvo de magnesio de grano fino.
2.3 Punto de vista 3: Generar hidróxido de magnesio.
Los estudiantes que sostienen esta opinión entienden que el magnesio puede reaccionar con el agua a temperatura ambiente porque su poder reductor es ligeramente menor que el del sodio.
En la última etapa de la reacción entre suficiente magnesio y ácido clorhídrico diluido, se puede considerar que el magnesio restante continúa reaccionando con el agua en la solución de cloruro de magnesio. Debido a la presencia de iones cloruro en la solución, el producto insoluble hidróxido de magnesio en la superficie del metal tiene un efecto de perforación, lo que hace que se caiga, destruyendo la protección del metal interno, permitiendo que el magnesio reaccione continuamente con la solución de cloruro de magnesio en temperatura ambiente, generando continuamente una gran cantidad de burbujas y precipitados de hidróxido de magnesio.
Experimento 4 Tome 5mL de agua destilada del tubo de ensayo pequeño y agregue un pequeño trozo de cinta de magnesio para eliminar la película de óxido. Primero se formó una pequeña cantidad de burbujas en la superficie de la cinta de magnesio y luego desaparecieron, y el agua destilada aún estaba clara. Cuando se agregan continuamente varias gotas de solución saturada de cloruro de magnesio, inmediatamente aparecerán finas burbujas en la superficie de la tira de magnesio y continuarán disolviéndose. Después de aproximadamente 3 minutos, apareció turbidez blanca en el tubo de ensayo. Después de 20 minutos, la cinta de magnesio se disolvió por completo, dejando una gran cantidad de precipitado de color blanco grisáceo en el tubo de ensayo pequeño.
En el Experimento 5, el precipitado gris del Experimento 4 se destiló completamente y se lavó con agua hasta que la turbidez ya no era obvia después de agregar la solución de nitrato de plata al líquido de lavado por última vez. Luego agregue una cantidad adecuada de 0,1 mol L-1 de ácido nítrico diluido y el precipitado se disolverá inmediatamente. Continúe dejando caer unas gotas de 0,1 mol L-1 de solución de nitrato de plata para producir una gran cantidad de turbidez blanca. Si se repite el experimento con el precipitado obtenido en el Experimento 1, el fenómeno es el mismo.
En el Experimento 6, se destiló una pequeña cantidad de precipitado gris, se lavó con agua y se secó a temperatura ambiente. Luego tome una muestra, caliente el sólido como se muestra en la Figura 1 y verifique el volumen de gas con papel tornasol violeta húmedo. El papel de prueba se vuelve rojo si cuelga otra varilla de vidrio empapada en una solución de nitrato de plata en la boca del tubo de ensayo. Aparecerá una turbidez blanca.
El experimento 4 muestra que el magnesio puede reaccionar en una solución de cloruro de magnesio para formar un precipitado gris. Combinando los Experimentos 5 y 6, las muestras precipitadas obtenidas de magnesio y ácido clorhídrico diluido o soluciones de cloruro de magnesio son todas solubles en ácido fuerte. La presencia de cloro se detecta ya sea que se trate de una solución disuelta en ácido nítrico o de una muestra sólida que se calienta directamente. Entonces, la idea de que el precipitado es (o es simplemente) hidróxido de magnesio también es insostenible.
A partir de la argumentación y el análisis, las ideas originales fueron rechazadas una a una. Justo cuando todos estaban desconcertados, a un estudiante se le ocurrió una nueva idea: el cloruro de magnesio anhidro, la materia prima para producir magnesio electrolítico, debe calentarse en un flujo de HCl seco para obtener MgCl2·6H2O. Si se calienta en el aire, se obtendrá Mg. producido (OH)Cl o MgO; entonces, ¿es posible que el precipitado gris producido por la reacción de suficiente magnesio con ácido clorhídrico diluido sea también una sal básica?
2.4 Punto de vista 4: Formación de cloruro de magnesio básico
Experimento 7 Poner unos 50ml de ácido clorhídrico diluido 0,01mol·L-1 en un vaso pequeño y luego añadir dos secciones de 5cm de tira de magnesio para eliminar la película de óxido. Observe el fenómeno experimental y utilice un acidómetro para controlar y leer los cambios de pH de la solución. Los resultados experimentales se muestran en la Tabla 2.
El experimento 7 muestra que durante la reacción entre suficiente magnesio y ácido clorhídrico diluido, el valor del pH de la solución aumenta gradualmente, pero no se produce turbidez en el medio ácido. Sólo cuando el sistema de reacción entre magnesio y ácido clorhídrico diluido (en realidad una solución de magnesio y cloruro de magnesio) es débilmente alcalino y la alcalinidad aumenta gradualmente, aparece y aumenta gradualmente el precipitado de color blanco grisáceo. Según los resultados de detección cualitativa del Experimento 5 y el Experimento 6, tenemos motivos para creer que el precipitado gris es cloruro de magnesio básico.
Según la literatura [5], existen muchas estructuras básicas de cloruro de magnesio. La fórmula química general se puede expresar como mgx (oh) yclz mh2o (donde 2x-y-z=0, 0≤m≤6) , que se descubrió por primera vez al estudiar la reacción química entre MgO y una solución acuosa de MgCl2. Existe principalmente en Mg2(oh)3cl·4h2o y Mg3(. El análisis de instrumentos científicos modernos muestra que el precipitado blanco obtenido en un determinado entorno de pH es. varios sólidos de cloruro de magnesio básico La composición química medida de los productos sólidos de cloruro de magnesio básico obtenidos a diferentes valores de pH también es diferente (ver Tabla 3) [6]. Si se utiliza suficiente magnesio con ácido clorhídrico diluido, la solución pasará de ácida a alcalina y la alcalinidad aumentará gradualmente, promoviendo así la formación de un precipitado gris debido a la composición química del cloruro de magnesio básico que se produce a diferentes valores de pH. También cambiará, creemos que los resultados obtenidos en el experimento deben ser una mezcla de cloruro de magnesio básico de diferentes composiciones químicas.
3.1 Comprensión del experimento del libro de texto.
Utilice ácido clorhídrico diluido en lugar de ácido sulfúrico diluido para demostrar la reacción entre el magnesio y el ácido. Debido al Cl. La velocidad de reacción entre el magnesio y el ácido (o agua) se acelerará enormemente por la acción de los iones de cloruro sobre la superficie del metal. ]. Una vez que la cantidad de magnesio es excesiva, aparecerá una gran cantidad de precipitación de color blanco grisáceo durante la enseñanza en el aula.
Con base en los estudios teóricos y experimentales anteriores, creemos que la causa subyacente del fenómeno anormal es la formación de mezclas básicas de cloruro de magnesio con diferentes composiciones químicas a diferentes valores de pH. Se sugiere que es razonable elegir ácido sulfúrico diluido como material didáctico en esta enseñanza experimental y no debe cambiarse a voluntad. Incluso si se utiliza ácido clorhídrico diluido, tenga cuidado de que la cantidad de cinta de magnesio utilizada sea menor que mayor.
3.2 Manejo de fenómenos anormales
Estar basado en experimentos es una de las características importantes de la química. Los experimentos de química son un medio para proporcionar a los estudiantes conocimientos perceptivos y una forma eficaz de cultivar la actitud científica y el espíritu de investigación de los estudiantes. La enseñanza experimental en el contexto de la reforma docente es un diálogo e intercambio igualitario, abierto y dinámico. Debido a los diversos factores que afectan los experimentos químicos, a menudo ocurren algunas anomalías inesperadas y difíciles de entender durante operaciones específicas, y el proceso de enseñanza también significa más incertidumbres [8]. Entre los muchos fenómenos anormales, algunos pueden explicarse razonablemente utilizando el conocimiento que los estudiantes ya dominan, mientras que otros no pueden explicarse en el contexto del conocimiento actual de los estudiantes. Pero el hecho de que puedan explicarse temporalmente no impide que estas anomalías se conviertan en nuestros recursos de enseñanza. Los profesores deben atreverse a romper el marco preestablecido, ajustar las estrategias de enseñanza, mantenerse al día con el ritmo del desarrollo del pensamiento de los estudiantes, llevar a cabo activamente innovaciones en el aula, llevar a cabo actividades de investigación experimental de manera oportuna y guiar el pensamiento de los estudiantes para que se desarrolle a un nivel más profundo. nivel.
Materiales de referencia:
Editor jefe Wang Zuhao. Libro de texto experimental estándar de secundaria Química 1 (curso obligatorio) [M]. Nanjing: Jiangsu Education Press, 2007: 56.
Zhou Gongdu. Diccionario de Química (2.ª edición) [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2011: 438.
[3]Fan Yanhua, Chen Lijuan. Investigación sobre "fenómenos anormales" en la reacción entre papel de aluminio y ácido clorhídrico de diferentes concentraciones [J Chemistry Teaching, 2011, (3): 42 ~ 43.
[4][7] Xiang Taiping. Investigación sobre la materia gris en la reacción del aluminio y el ácido clorhídrico [J Chemistry Teaching, 2004, (3): 11 ~ 12.
Chen, Lu Shuangshuang, Xia Meisheng, et al. Progreso de la preparación y aplicación de bigotes de cloruro de magnesio básico [J].
Li Chunzhong, Gu Qingshan, Cheng Qilin, et al. Síntesis y análisis morfológico de cloruro de magnesio básico en forma de aguja [J]. , (6): 314 ~ 318.
[8]Ren,. Análisis de problemas difíciles en la enseñanza de la química en la escuela secundaria[M]. Hangzhou: Zhejiang Education Press, 2015: 133.