铵盐溶液能溶解Mg（OH)2的主因探析

2016-05-05柴国英吴文中

化学教与学 2016年4期

关键词：氢氧化镁铵盐实验

柴国英　吴文中

（1，2浙江省越州中学　浙江绍兴　312075)

铵盐溶液能溶解Mg（OH)2的主因探析

柴国英1吴文中2

（1，2浙江省越州中学浙江绍兴312075)

摘要：氯化铵溶液能溶解Mg（OH)2，实为沉淀溶解平衡、氨水的电解质平衡以及水的电离平衡综合作用的结果，其本质为离子反应，是NH4+还是H3O+首先作用于Mg（OH)2的沉淀溶解平衡，对此学术界无统一的观点。复分解反应的活化能几乎为0，但各种离子的扩散速率不尽相同，多种离子参加反应时，到底哪种离子首先碰撞先发生反应，实难判断，事实上也不重要，但我们可以通过计算、实验得出铵盐溶解Mg（OH)2的“功劳”主要是NH4+，而不是H3O+，同时指出低浓度的铵盐难以溶解氢氧化镁的事实。

关键词：铵盐；氢氧化镁；主反应；实验

一、研究背景

NH4Cl溶液可以使Mg（OH）2悬浊液变澄清，其原因很多学者都有所研究。

李家郢［1］的研究认为NH4Cl溶液水解呈酸性，促进了Mg（OH）2（s）⇌Mg2+（aq）+OH-（aq）该沉淀溶解平衡往溶解方向移动，使得Mg（OH）2悬浊液变澄清，其本质等同于稀盐酸溶解Mg（OH）2，而忽略了NH4+对上述沉淀平衡的影响，显然不符合事实。学者戴亚等［2］在《氢氧化镁为什么可溶于铵盐中》一文中，通过计算NH4Cl与Mg（OH）2反应的平衡常数，回答了Mg（OH）2可溶于NH4Cl溶液中的热力学原因，但并未阐述NH4Cl溶解Mg（OH）2动力学原因。

本文认为，复分解反应的活化能几乎为0，但各种离子的扩散速率不尽相同，多种离子参加反应时，到底是NH4+还是H3O+首先碰撞Mg（OH）2的沉淀溶解平衡体系中的OH-，难以判断，也不重要［3］，但由于NH4Cl溶液中的c（NH4+）≥c（H3O+），我们可以认为c（NH4+）碰撞OH-的机会远远大于H3O+，从动力学范畴层面上，可以认为NH4+首先进攻OH-，是铵盐溶解Mg（OH）2的主因，该结论与学者许洪福［4］一文中的观点基本一致。

二、理论探讨

1.NH4+和H3O+对溶解Mg（OH)2的影响力

往少量Mg（OH）2悬浊液中加入适量的饱和NH4Cl溶液，充分振荡，Mg（OH）2悬浊液变澄清，Mg（OH）2悬浊液溶解在NH4Cl溶液中的原理是什么？常见观点有两种：

观点一：NH4+的水解呈酸性，溶解了Mg（OH）2，从而促进了Mg（OH）2的沉淀溶解平衡：Mg（OH）2（s）⇌Mg2+（aq）+2OH-（aq）往溶解方向移动。

观点二：NH4+直接结合了Mg（OH）2悬浊液中的OH-，从而使得以上沉淀溶解平衡往溶解方向移动。

经计算，0.1 mol·L-1的NH4Cl溶液中，c（NH4+）= 0.099992mol/L，c（H+）=7.54×10-6mol·L-1，c（NH3·H2O）= 7.53684×10-6mol·L-1，也就是说NH4+浓度是H+浓度的13262倍，同时我们也可以计算得到Mg（OH）2悬浊液中的

（注Ksp［Mg（OH）2］=5.6×10-12）

当上述两种离子都遇到OH-时，将发生以下过程：

现在人为假定只有单一变量对Mg（OH）2的沉淀溶解平衡有影响，分别计算NH4+和H+发生上述离子反应时所消耗的OH-为多少，然后判断上述两种过程对Mg（OH）2的沉淀溶解平衡的影响力，演算如下（其中a、b分别为NH4+与H+消耗OH-的物质的量浓度）：

NH4++ OH-⇌NH3·H2O

始态：0.099992 0.00018 7.53684×10-6

变化量：aaa

平衡态：0.099992- a 0.00018- a 7.53684×10-6+ a的电离平衡）解得：a=1.79967×10-4mol·L-1。

H++ OH-⇌H2O

始态：7.54×10-60.00018

变化量：bb

平衡态：7.54×10-6- b 0.00018- b

（7.54×10-6）×（0.00018-b）=1.0×10-14（水的电离平衡）

解得：b=7.53994×10-6mol·L-1。

以上计算表明，NH4+使得OH-的减少量远远大于H+使OH-的减少量，即促进Mg（OH）2溶解平衡往溶解方向移动的“功劳”主要不是H+，而是NH4+。

水解的本质，实际上是某些离子结合了水电离出来的H+或OH-，NH4Cl放入到Mg（OH）2（s）⇌Mg2++ 2OH-平衡体系中，NH4+实际上不但可以去结合水电离出来的OH-，也可以去结合Mg（OH）2溶解产生的OH-，由于Mg（OH）2溶解产生的c（OH-）=1.8×10-4mol·L-1，远远大于水电离得到的c（OH-）=1.0×10-7mol·L-1，因此NH4Cl在水溶液中只发生“水解”，而在Mg（OH）2悬浊液中，就主要发生“Mg（OH）2水解”了，计算结果也与此吻合，Mg（OH）2也可以溶解在几乎为中性的CH3COONH4溶液中的事实，也印证上述观点的正确。

2.NH4+溶解Mg（OH)2的热力学分析

那么铵盐溶解Mg（OH）2的程度如何？可通过研究下列过程的化学平衡常数得知：

Mg（OH）2+2NH4+⇌Mg2++2NH3·H2O

则K总= c（Mg2+）×c2（NH3·H2O）/c2（NH4+）=Ksp/Kb2=5.6×10-12/（1.77×10-5）2=1.8×10-2，

（已知：Ksp［Mg（OH）2］=5.6×10-12、Kb=1.77×10-5）

显然，常数K=1.8×10-2，并不很小，上述过程可以发生，但反应程度并不大。

若0.058g Mg（OH）2完全被NH4Cl溶液溶解，需要10mL的NH4Cl溶液的浓度至少为x mol·L-1，则依据上述反应原理得：（注：若0.058g Mg（OH）2完全溶解在10mL溶液中后c（Mg2+）约为0.1 mol·L-1）

Mg（OH）2+2NH4+⇌Mg2++2NH3·H2O

始态：x 0 0

变化量：0.2 0.1 0.2

平衡态：x-0.2 0.1 0.2

则：0.22×0.1/（x-0.2）2=1.8×10-2解得：x= 0.67 mol·L-1

即在少量的Mg（OH）2悬浊液中加入较高浓度的NH4Cl溶液时，悬浊液才会变澄清得到0.1 mol·L-1的MgCl2溶液，经过同样计算，得知低浓度的铵盐是很难溶解少量的Mg（OH）2，或需要大量的铵盐溶液才能溶解。

若采用1 mol·L-1的NH4Cl溶液去溶解Mg（OH）2，设得到的c（Mg2+）为x，则c（NH3·H2O）为2x，则依据题意得解得：x = 0.134mol·L-1。

即1L 1 mol·L-1的NH4Cl溶液可以溶解Mg（OH）2约为7.77g，溶解程度并不大，但比较Mg（OH）2在水中的溶解度提高了800多倍（注Mg（OH）2在18℃时的溶解度为0.0009g/100g水）。

三、实验验证

基于上述理论计算与碰撞理论视角的分析，进行了实验验证，并选择不同铵盐、不同浓度的铵盐溶解等质量的Mg（OH）2的有关实验（取0.05g Mg（OH）2）。

表1　常温下不同浓度铵盐溶液与Mg（OH)2沉淀反应的实验数据

沉淀溶解平衡是一种动态平衡，NH4Cl溶液浓度越大，上述平衡越易向右进行，以上实验表明，铵盐的浓度越大，铵盐溶解Mg（OH）2程度越大，铵盐本身的酸性大小与铵盐是否能溶解Mg（OH）2程度几乎无关系，说明了Mg（OH）2被铵盐溶解的本质特征是NH4+破坏了如下沉淀溶解平衡：Mg（OH）2（s）⇌Mg2+（aq）+ 2OH-（aq），或者说，在Mg（OH）2中加铵盐，实为上述的沉淀溶解平衡与氨水的电离平衡共同作用，相互促进、相互抑制而共同达到平衡的结果，NH4+浓度小于0.5mol·L-1的铵盐溶液难以溶解氢氧化镁。