氨气催化氧化实验的分析及改进

2009-09-16王屹

化学教学 2009年8期

王　屹

文章编号:1005-6629(2009)08-0041-02中图分类号:G633.8文献标识码:C

氨气催化氧化是高中化学教学中的一个重要实验,对于氨气的性质和硝酸工业生产的教学有着非常重要的作用。凡是对该实验有过研究的教师都会发现,这个实验也是高中化学实验中难度较大的一个。该实验的成功与否受到若干实验条件的控制,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。本文将对实验成败的关键再做研究,并对实验装置做出部分改进。

1实验成败原因的分析

1.1鼓气速度的影响

图1是氨催化氧化的经典实验装置示意图,不但在高中课本中,而且在大学无机化学或普通化学的教材中也频繁出现。不少关于此实验的操作说明或类似的实验研究文章中都会提到鼓气速度的控制,即通过控制鼓入空气的速度使氨气和氧气达到一个合理的比例,但是笔者在查阅了大量资料后发现对这个所谓的“鼓气速度”该如何控制都未作详细的说明。通常我们会理解成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NO或NO₂反应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;若鼓气速度过慢则带出的氨气偏少,未达到反应所需的浓度,不但无法使催化剂保持红热状态,也不利于NO₂的生成。通过多次的实验,笔者对这个不明不白的“鼓气速度”产生了怀疑。于是设计了如图2的实验装置对鼓气速度进行了初步研究,实验数据见表1。

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较,用500 mL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。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基本不变的。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一个简单的常识,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,这是容易理解的。

1.2浓度的影响

在排除了“鼓气速度”可能对实验的影响后,再来看看浓度。要保证实验的成功,氨水的浓度要适宜。在查阅了相关资料后发现,有人用1∶1的氨水,而有些则是2∶1或3∶2,笔者按照这些配比去做实验,结果并不能够保证每次都成功,相信其他老师也有类似的经历。其中主要原因就是每次实验的室温是不同的,造成氨水的温度不同,它的饱和蒸汽压也发生了变化,因此氨水浓度要根据室温高低加以调节。市售浓氨水的质量分数约为27%,在20 ℃时的密度为0.9 g·mL^-1。笔者通过实验发现当氨水浓度接近如下关系时,可使实验获得满意效果,具体的配制方法如表2所示。

1.3催化剂及催化温度的影响

不少教师在做该实验时,用市售的三氧化二铬作催化剂,发现催化效果不好,很难达到红热的状态。难道是三氧化二铬又出了问题?笔者在比较了几种常见的过渡金属氧化物催化剂后,发现三氧化二铬的催化效果最为理想,这一点和教材中的说法是一致的。但是市售的三氧化二铬的催化效果确实不理想,而用加热分解重铬酸铵的方法制取的催化剂活性较好,可能是因为用这种方法制得的三氧化二铬非常疏松,有更大的接触面积的原因。用该方法制备的三氧化二铬可以反复使用,只要注意保存时干燥,每次使用前置于石棉网上加热烘干即可再次使用。

选择该催化剂的另一个好处就是容易观察到催化剂的红热现象,这也是该实验中最重要的实验现象之一。出现了这一现象说明氨催化氧化的实验已成功了大半。那么达到怎样的温度开始鼓入气体最容易出现催化剂的红热呢?笔者做了大量实验后发现,当催化剂的颜色随着加热,其绿色开始转暗时鼓入气体,最容易出现红热现象,并且移去酒精灯后催化剂依然能够保持红热。

2实验装置的改进

以上问题解决后已经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的改进,在燃烧管和烧瓶中增加一个装有无水氯化钙的干燥管。在这里氯化钙不但具有干燥的作用,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。