氨催化氧化制硝酸

氨催化氧化制硝酸实验目的熟练掌握演示“氨催化氧化制硝酸”实验的操作技能了解该实验不同的几套装置，提高对实验装置的选择，评估和改良能力。提高实验研究的初步能力实验用品锥形瓶、圆底烧瓶、双孔附导管橡皮塞两个、气唧、反响管、烧杯、石棉、重铬酸铵、氨水、石蕊试液、酚酞试液、蒸馏水实验原理实验装置：实验步骤实验一：氨的催化氧化〔氨水：水=1：1〕实验操作实验现象和讨论1.连接装置，并检查气密性在烧杯中装水，浸没导气管口，用手捏气唧，观察烧杯中有气泡冒出。松开手后，看到导气管中有水柱。说明气密性良好。2.用重铬酸铵自制三氧化二铬取一小勺重铬酸铵，放在石棉网上用酒精灯灼烧，一分钟即刻看到有火星，桔红色固体变为蓬松状绿色固体，体积变大很多。反响方程式：再继续灼烧一会，除掉产物中混有的H2O和N2，提高催化活性。3.在反响管一头装入适量石棉，再装入适量的催化剂三氧化二铬，再装入适量石棉。催化剂要堵满试管，使通过反响管的气体能从分接触到催化剂，提高反响效率。4.在锥形瓶中装入约80ml氨水，和等量蒸馏水。混合均匀。烧杯中装入配制好的是石蕊试液。连接好装置。配制石蕊试液时，留出一半放入另一烧杯，作颜色比照。5.点燃酒精灯，先加热催化剂。先加热催化剂，可以保证反响瓶中的高温环境，使通过的气体可以立刻被催化反响。催化剂受热由草绿色变为灰黑色后，方可鼓气。此时催化剂没有发红现象。6.开始捏气唧鼓气。鼓气速度不宜过快，也不宜过慢。过快了会产生大量NH3，来不及反响就通过反响瓶，未反响的NH3和圆底烧瓶中生成的少量HNO3反响生成NH4NO3，会看到白色的“云”。由于密度比其他气体大，所以会看到白色的“云”沉在烧瓶底部，上层为红棕色气体。〔在我们的实验过程中，没有出现这个现象〕过慢，会导致空气缺乏，不能保证有足够的O2和NH3反响。反响无法进行。7.观察圆底烧瓶气体颜色变化和烧杯中石蕊试液的颜色变化。反响几分钟时间后，看到圆底烧瓶中开始出现红棕色气体，随着反响的进行，颜色越来越浓。烧瓶中充满红棕色气体后，才能看到石蕊试液开始慢慢变色，最后变为红色。8.反响一段时间后观察催化剂看到反响管中的催化剂出现了红热现象，说明反响是放热反响。且催化剂为灰黑色。9.反响结束先撤离装石蕊的烧杯，在撤离酒精灯。防止倒吸。处理圆底烧瓶中的气体时，应该注意，NO和NO2均为有毒气体，应加水使其溶解。实验二：喷泉实验在试管中装入少量的氨水，用氨水全部润湿试管内壁。用带有导气管的塞子塞紧，放入热水中一段时间后，取出。将导气管口伸入滴有酚酞的水中。看到水先是慢慢的吸入导气管口，接着很快全部吸入试管中，且试管中的水变为红色。说明：验证了氨气在水中的溶解性极大，可以以任意比例混溶。滴有酚酞的水变红，说明氨气溶于水为碱性。以上为本节课所做的实验及其现象分析。关于本实验的一些讨论：〔查阅资料得知〕该实验的成功与否受到假设干实验条件的控制，如原料气中氧和氨的比例、水蒸气的影响、催化剂的制备、催化温度的控制等等。1．鼓气速度的影响对于鼓气速度：〔1〕鼓气速度过快会从浓氨水中带出过多的氨气。而过量的氨气会和生成的NO2或NO反响形成含有硝酸铵或亚硝酸铵的白烟，而事实上大多数实验失败时确实出现了类似情况；〔2〕假设鼓气速度过慢那么带出的氨气偏少，未到达反响所需的浓度。不但无法使催化剂保持红热状态，也不利于NO的生成。通过屡次实验，设计了如图实验装置对鼓气速度进行了初步研究，实验数据见表。取质量分数约为21％的浓氨水分别进行以上实验，其中鼓气速度通过每分钟按多少下打气球进行比拟，用500mL的量筒来测量排出的水的体积。四次实验均在相同的条件下进行，鼓气速度是唯一的变量。结论：从实验数据不难看出，尽管鼓气的速度不同而且相差较大，但单位体积的空气能够带出的氨气的量却是根本不变的。显然在一定的温度和压强下，一定浓度的氨水的挥发性是恒定的。这个实验最终证明了氨水的挥发性即氨水的饱和蒸汽压只跟温度、浓度和压强有关。尽管只是初步实验，但是“氨气催化氧化”实验的成败显然与鼓气的速度没有直接的关系。当然极端的快速或慢速鼓气对实验也会造成不利的影响。2.催化剂的选择在反响中，有水生成。如果催化剂外表吸附着水，催化剂就没有活性，对氨的氧化无催化作用，另外，从化学平衡移动来讲，催化剂上吸附着水，那么可使反响向逆反响方向进行。〔1〕用铂石棉做催化剂铂石棉疏松，易吸水份因此，不管是新的铂石棉，还是回收的铂石棉，都要把铂石棉放八枯燥的试管中加热，以除去吸附的水分和其他气体。枯燥、活化的铂石棉是使实验成功的关键。铂的催化效率比其他的催化试剂要快100倍，但是价格昂贵，所以不常使用。〔2〕用三氧化二铬做催化剂用重铬酸钾加热分解来制取，由于生成水，所以分解反响结束后，还要继续加热一段时间，使其充分枯燥，提高活性。这种新生态的三氧化二铬的外表活性大．催化能力强所以能使实验得到较好的效果。〔3〕用氧化钴做催化剂将硝酸钴加热至分解，把得到的黑色氧化钴粉末和约10倍质量的石棉充分搅拌混合。也可将石棉浸泡在硝酸钴溶液中，然后取出烘干、灼烧获得。〔4〕用氧化铁做催化剂制成活性氧化铁石棉用于催化。在氢氧化铵溶液中注入少量的氯化铁即有氢氧化铁沉淀产生，将其过滤、水洗后和石棉相混合，在加热灼烧使其分解即可。此外，还可以选用铜丝、银、四氧化三铁、二氧化锰、氧化铁等等。查阅文献知道一些催化剂的比拟：催化剂加热时间催化剂发生的现象烧瓶中产生红棕色程度石蕊试液变色情况Ag2min发红半分钟后出现红棕色，浅1分钟后变红Co2O31min无现象15秒钟后出现红棕色，深半分钟后变红Cr2O31min明显发红15秒钟后出现红棕色，深半分钟后变红Fe3O41min明显发红15秒钟后出现红棕色，深半分钟后变红MnO22min发红半分钟后出现红棕色，浅1分钟后变红Fe2O31min发红半分钟后出现红棕色，浅1分钟后变红所以可以根据实际需要，选择适宜的催化剂。3.不同浓度氨水的影响不同浓度的氨水对于氨气的产生的量和快慢有关，而反响物是氨气和氧气，在理论上氧气和氨气的比例在1.8:1左右时，其NO的产率最高，该比值相当于氨和空气的混合气体中氨的含量为10%左右。不能采用纯氧，因为纯氧和氨气混合容易发生爆炸，而且采用纯氧，对装置的要求也会复杂。4.实验改良〔1〕实验装置改良一上述装置可以看到红棕色的二氧化氮气体在烧瓶中慢慢生成了，但是同时烧瓶内却凝结了大量的水蒸气，使红棕色看起来模模糊糊的。这主要是因为氨气在氧化后生成了大量的水。水蒸气的存在不仅不利于二氧化氮的观察，而且会将其吸收形成硝酸酸雾。因此可将原有装置做如图3的改良，在燃烧管和烧瓶中增加一个装有无水氯化钙的枯燥管。在这里氯化钙不但具有枯燥的作用，还能吸收过量的氨气，可以更加直接清晰地观察到红棕色的二氧化氮气体。〔2〕实验装置的改良二用注射器收集70ml的O2后,再收集40ml的NH3,加热(NH4)2Cr2O7得Cr2O3,并放入玻璃中部。玻璃管中部放适量Cr2O3,并加热该部位,尾气管先通入NaOH溶液,再缓缓