Πώς να εξηγήσετε τι συμβαίνει όταν καίμε μέταλλο μαγνησίου

Όταν το στοιχειακό μαγνήσιο καίγεται στον αέρα, ενώνεται με το οξυγόνο για να σχηματίσει μια ιοντική ένωση που ονομάζεται οξείδιο του μαγνησίου ή MgO. Το μαγνήσιο μπορεί επίσης να συνδυαστεί με άζωτο για να σχηματίσει νιτρίδιο μαγνησίου, Mg3N2, και μπορεί επίσης να αντιδράσει με το διοξείδιο του άνθρακα. Η αντίδραση είναι έντονη και η προκύπτουσα φλόγα έχει ένα λαμπρό λευκό χρώμα. Κάποια στιγμή, η καύση μαγνησίου χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία φωτός σε λαμπτήρες φλας φωτογραφίας, αν και σήμερα έχουν πάρει τη θέση τους οι ηλεκτρικοί λαμπτήρες φλας. Ωστόσο, παραμένει μια δημοφιλής επίδειξη στην τάξη.

Υπενθυμίστε στο κοινό σας ότι ο αέρας είναι ένα μείγμα αερίων. Το άζωτο και το οξυγόνο είναι τα κύρια συστατικά, αν και υπάρχει επίσης διοξείδιο του άνθρακα και ορισμένα άλλα αέρια.

Εξηγήστε ότι τα άτομα τείνουν να είναι πιο σταθερά όταν το εξωτερικό τους περίβλημα είναι γεμάτο, δηλαδή περιέχει τον μέγιστο αριθμό ηλεκτρονίων του. Το μαγνήσιο έχει μόνο δύο ηλεκτρόνια στο εξωτερικό του κέλυφος, έτσι τείνει να τα αποδίδει. το θετικά φορτισμένο ιόν που σχηματίζεται από αυτή τη διαδικασία, το ιόν Mg+2, έχει ένα πλήρες εξωτερικό περίβλημα. Το οξυγόνο, αντίθετα, τείνει να αποκτά δύο ηλεκτρόνια, τα οποία γεμίζουν το εξωτερικό του περίβλημα.

Επισημάνετε ότι από τη στιγμή που το οξυγόνο έχει αποκτήσει δύο ηλεκτρόνια από το μαγνήσιο, έχει περισσότερα ηλεκτρόνια από πρωτόνια, επομένως έχει καθαρό αρνητικό φορτίο. Το άτομο μαγνησίου, αντίθετα, έχει χάσει δύο ηλεκτρόνια, επομένως έχει τώρα περισσότερα πρωτόνια από ηλεκτρόνια και ως εκ τούτου ένα καθαρό θετικό φορτίο. Αυτά τα θετικά και αρνητικά φορτισμένα ιόντα έλκονται μεταξύ τους, επομένως ενώνονται για να σχηματίσουν μια δομή τύπου πλέγματος.

Εξηγήστε ότι όταν το μαγνήσιο και το οξυγόνο συνδυάζονται, το προϊόν, το οξείδιο του μαγνησίου, έχει χαμηλότερη ενέργεια από τα αντιδρώντα. Η ενέργεια που χάνεται εκπέμπεται ως θερμότητα και φως, γεγονός που εξηγεί τη λαμπρή λευκή φλόγα που βλέπετε. Η ποσότητα της θερμότητας είναι τόσο μεγάλη που το μαγνήσιο μπορεί να αντιδράσει επίσης με άζωτο και διοξείδιο του άνθρακα, τα οποία είναι συνήθως πολύ μη αντιδραστικά.

Διδάξτε το κοινό σας ότι μπορείτε να καταλάβετε πόση ενέργεια απελευθερώνεται από αυτή τη διαδικασία χωρίζοντάς την σε πολλά βήματα. Η θερμότητα και η ενέργεια μετρώνται σε μονάδες που ονομάζονται τζάουλ, όπου ένα κιλοτζάουλ είναι χίλια τζάουλ. Η εξάτμιση του μαγνησίου στην αέρια φάση απαιτεί περίπου 148 kJ/mole, όπου ένα mole είναι 6.022 x 10^23 άτομα ή σωματίδια. Δεδομένου ότι η αντίδραση περιλαμβάνει δύο άτομα μαγνησίου για κάθε μόριο οξυγόνου O2, πολλαπλασιάστε αυτόν τον αριθμό με 2 για να πάρετε 296 kJ που ξοδεύτηκαν. Ο ιονισμός του μαγνησίου απαιτεί επιπλέον 4374 kJ, ενώ η διάσπαση του O2 σε μεμονωμένα άτομα απαιτεί 448 kJ. Η προσθήκη των ηλεκτρονίων στο οξυγόνο απαιτεί 1404 kJ. Αν αθροίσετε όλους αυτούς τους αριθμούς, έχετε ξοδέψει 6522 kJ. Όλα αυτά ανακτώνται, ωστόσο, από την ενέργεια που απελευθερώνεται όταν τα ιόντα μαγνησίου και οξυγόνου συνδυάζονται στη δομή του πλέγματος:3850 kJ ανά mole ή 7700 kJ για τα δύο mol MgO που παράγονται από την αντίδραση. Το καθαρό αποτέλεσμα είναι ότι ο σχηματισμός οξειδίου του μαγνησίου απελευθερώνει 1206 kJ για δύο γραμμομόρια προϊόντος που σχηματίζονται ή 603 kJ ανά mole.

Αυτός ο υπολογισμός δεν σας λέει τι πραγματικά συμβαίνει, φυσικά. ο πραγματικός μηχανισμός της αντίδρασης περιλαμβάνει συγκρούσεις μεταξύ ατόμων. Αλλά σας βοηθά να καταλάβετε από πού προέρχεται η ενέργεια που απελευθερώνεται από αυτή τη διαδικασία. Η μεταφορά ηλεκτρονίων από το μαγνήσιο στο οξυγόνο, ακολουθούμενη από το σχηματισμό ιοντικών δεσμών μεταξύ των δύο ιόντων, απελευθερώνει μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Η αντίδραση περιλαμβάνει ορισμένα βήματα που απαιτούν ενέργεια, φυσικά, γι' αυτό πρέπει να παρέχετε θερμότητα ή σπινθήρα από έναν αναπτήρα για να την εκκινήσετε. Μόλις το κάνετε, απελευθερώνει τόση θερμότητα που η αντίδραση συνεχίζεται χωρίς περαιτέρω παρέμβαση.

Πράγματα που θα χρειαστείτε

• Πίνακας κιμωλίας
• Κιμωλία

Συμβουλές

• Εάν σχεδιάζετε μια επίδειξη στην τάξη, να θυμάστε ότι η καύση μαγνησίου είναι δυνητικά επικίνδυνη. Αυτή είναι μια αντίδραση υψηλής θερμότητας και η χρήση ενός πυροσβεστήρα διοξειδίου του άνθρακα ή νερού σε μια φωτιά μαγνησίου θα την κάνει πραγματικά πολύ χειρότερη.