铵盐冷却剂的研究

铵盐冷却剂的研究

1“实验2-2,吸热反应实验”用化学品来冷却和生产小型便携式“无冰箱”。它不仅具有设备简单、成本低、能耗低的特点，而且具有携带方便、安全等优点。故化学制冷的研究具有十分重要的意义,已越来越为人们所关注。人教版《普通高中课程标准实验教科书:化学》中“化学能与热能的相互转化”内容学习中的“实验2-2:吸热反应实验”,常常难以收到“玻璃片与小烧杯由于结冰而粘在一起”的效果,需要进行改进。我们知道,许多无机盐在溶解时均有吸热效应(为了讨论方便以下把这种盐称为溶质盐),如铵盐;有些无机盐能使溶质盐溶在其中且也有较高溶解吸热值(为了讨论方便以下把这种盐称为溶剂盐),如八水氢氧化钡和十二水磷酸氢二钠。所以,可望利用无机盐,作为固/固型的化学制冷袋。当溶剂盐与溶质盐接触时,溶质盐逐渐溶解于溶剂盐的结晶水中,吸收周围的热量而达到制冷的目的。十二水磷酸氢二钠与硝酸铵不仅有较佳的制冷效果,而且可再生重复利用,不会造成环境污染,可望作为教科书中“吸热反应实验”的替代实验。我们在室温下,就溶质盐与溶剂盐的配比组成与制冷效果作了系统的研究,并对制冷后化学物质的回收再利用及对环境污染的影响作了探索。2实验部分2.1实验试剂及试剂仪器:烧杯(500mL,200mL),托盘天平(上海精密科学仪器有限公司制造),零下温度计(-30℃~100℃),药匙,铁架台,玻璃棒,试管。主要试剂:Ba(OH)2·8H2O(北京红星化工厂),Na2HPO4·12H2O(天津市天大化工实验厂),尿素(天津市天大化学试剂厂),Na2CO3·10H2O(上海虹光化工厂),NH4Cl(秦皇岛市化学试剂厂),NH4NO3(西安化学试剂厂),Na3PO4·12H2O(天津市化学试剂三厂),NH4HCO3(北京化工厂),Na2SO4·10H2O(金达化工试剂厂),(NH4)2SO4(天津基准化学试剂有限公司),Ca(OH)2(中国医药公司北京采购供应站),Na2SO3·7H2O(西安化学试剂站经销),冰醋酸(天津市天新精细化工开发中心),NaOH(天津市化学试剂三厂)。以上除尿素为化学纯外,其余为分析纯。2.2实验过程2.2.1溶剂盐的吸营养成分利用溶解度大,溶解吸热值高的无机盐(称为溶质盐)溶于另一带有结晶水且也有较高溶解吸热值的无机盐(称为溶剂盐)的结晶水中时,吸收周围的热量而达到致冷目的。2.2.2实验设备吸热效应测定的装置如图1所示。大小烧杯中间均匀地塞上棉花,尽量避免外界对测定结果的影响。2.2.3溶解吸热效应制冷剂的制冷效果与溶剂盐的溶解热效应和失结晶水的热效应直接相关。很显然,这2种盐均应选用溶解吸热值高的物质。无机盐的溶解吸热效应与其溶解度有关,显然,只有在溶剂盐有限的结晶水中尽可能多地溶解溶质盐,才能有较好的制冷效果,故应选用溶解吸热值高且溶解度又大的无机盐为宜,如NH4Cl,NH4NO3等。溶剂盐则选用结晶水溶解吸热值高且价廉易得的盐为宜,如Ba(OH)2·8H2O,Na2HPO4·12H2O,Na2CO3·10H2O,Na3PO4·12H2O。2.2.4不同制冷剂对同一体系内充放电温度ba2.2o(1)不同溶质盐与溶剂盐的反应情况把研磨成粉末的2种固体Na2CO3·10H2O(28g)与NH4NO3(18g)先后加入烧杯中,立即用玻璃棒不断搅拌,观察并记录温度的变化。在搅拌过程中闻到有强烈的刺激性气味气体产生,反应剧烈,可看到原来白色的颗粒状晶体慢慢变为粘稠状,最后成为糊状物质。依次按表1中研磨成粉末的2种固体代替以上固体完成实验,实验现象与结果见表1。由表1可看出,Ba(OH)2·8H2O和NH4Cl的冷却效果最好,但是Ba(OH)2·8H2O是毒害品,污染环境,所以残液中必须加入过量的Na2SO4,使之生成难溶的Ba2SO4后再弃之,以保护环境;Na2HPO4·12H2O和NH4NO3的冷却效果也不错,在0℃以下保持的时间最长。(2)制冷剂配比组成的影响溶质盐与溶剂盐的配比组成对制冷效果的影响见表2,实验用NH4Cl作溶质盐,Ba(OH)2·8H2O作溶剂盐。理论上计算,Ba(OH)2·8H2O+2NH4Cl═BaCl2+2NH3↑+10H2O,反应物的质量比为20∶7,但实验结果表明,溶质盐与溶剂盐质量比并非7∶20为最好,而是以9∶20最佳,即溶质盐需过量才有最佳效果。然而溶质盐过量太多时,效果又变差,这可能是溶质盐需过量才能在较短时间内全部夺取溶剂盐中结晶水,该过程需吸收大量的热,故有较好的制冷效果;但溶质盐若过量太多,其多余未参与吸热反应的盐在降温过程中也要消耗能量,故反而使制冷效果变差。(3)不同制冷剂对同一体系内试管中水的制冷情况对以上实验进行稍微的修改,在烧杯中插入1支试管,试管中加入10滴水,观察试管中水的制冷情况,实验情况见表3。实验表明:制冷剂Na2CO3·10H2O(30g)+NH4NO3(23g)、Na2HPO4·12H2O(100g)+NH4NO3(90g)、Ba(OH)2·8H2O(20g)+NH4Cl(9g)都可以使处于其体系内试管中的水结冰。2.3nh4no3的合成制冷剂若只能作一次性使用,不仅成本高,而且废弃的化学物质会造成环境污染。为此,我们选用NH4NO3作溶质盐,Na2HPO4·12H2O作溶剂盐。利用NH4NO3溶解度十分大而Na2HPO4·12H2O溶解度十分小,反应完后基本上是以Na2HPO4晶体存在于体系中,即可将它们分离开。先把反应后的混合物过滤,将滤液浓缩重结晶,可得到NH4NO3;然后把Na2HPO4晶体加水煮沸溶解后重结晶,可得Na2HPO4·12H2O,2者所余母液混合后是一种极好的复混肥料,可以用于浇花种地,即使废弃也不会造成环境污染。3不同溶剂盐作溶剂盐实验表明,溶质盐除了其溶解吸热值与制冷效果直接有关外,其溶解度大小对制冷效果也有较大影响;溶剂盐失结晶水也是一吸热过程,使整个吸热效应加强,所以可以在较长时间内保持低温。用NH4NO3,NH4Cl等作溶质盐,Na2HPO4·12H2O,Ba(OH)2·8H2O,Na2CO3·10H2O,Na3PO4·12H2O等作溶剂盐均可制成化学制冷剂,其中以Ba(OH)2·8H2O/NH4Cl体系的冷却效果最佳,但是考虑环境因素,Na2HPO4·12H2O/NH4NO3体系的冷却效果当为最好,而且可回收再生利用而