氨催化氧化制硝酸实验催化剂的改进

蒋小飞

摘要：氨催化氧化制取硝酸是高中化学经典的实验之一，实验现象不明显，反应时间过长、成功率较低等情况。为了改变演示实验中出现的缺陷，通过改变催化剂的配置，研究了一种复合催化剂对实验的影响，分别用铜粉、三氧化二铬、三氧化二铬与铁粉混合、三氧化二铬与铜丝混合、三氧化二铬与铜粉混合作催化剂，结果发现三氧化二铬和金属的混合催化剂缩了反应时间，实验发现三氧化二铬与铜粉（10：1）混合的实验现象明显，极大地缩短了反应时间。

关键词：重铬酸铵；三氧化二铬；铜粉；二氧化氮气体

文章编号：1008-0546（2017）12-0083-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.12.028

教材编排此实验的目的是引导学生对该实验现象的观察、探究氨催化氧化原理，从而理解氨催化氧化的性质。但此演示实验不易得到很好的效果，一是在集气瓶中形成明显的红棕色气体，时常会产生大量白烟。二是无法看到由于反应放热拆除酒精灯催化剂继续发红反应继续进行的现象，这是实验成功的两个重要标志，没有这两个明显的标志性的实验现象，教师难以启迪学生的思维从而让学生理解氨的这一性质。工业上常用铂作为本实验最佳的催化剂，但由于铂的价格昂贵，所以在中学演示实验常选用三氧化二铬、氧化钴、铜等为本实验的催化剂，甘肃教育学院化学系胡正东等共同研究的对于多个催化剂比较的研究，所得到的结论中在普通实验室中没有三氧化二铬的，可以用四氧化三铁。本研究用三氧化二铬与铜粉、铁粉、铜丝混合作催化剂，找出实验效果最佳的混合催化剂配比的实验方案，演示实验效果明显，反应时间大为缩短。

本实验研究的主要是考查催化剂对实验的影响，經过参考多个文献，大多说明氨水的浓度一般在1.5：1至2：1之间较为合适，我们选用氨水的浓度比为2：1。采用以下装置进行实验：

1.不同混合催化剂的相同质量比催化效果的初筛

将不同催化剂的相同质量比混合作催化剂，分别是铜粉；三氧化二铬；三氧化二铬与铁粉；三氧化二铬与铜丝；三氧化二铬与铜粉做对比实验，（质量比均为1：1，各为0.5克），将准备好的不同催化剂的相同质量比混合催化剂进行实验，在5分钟内观察实验现象。

发现铜粉和三氧化二铬的混合配比效果较好，本次实验着重开展以铜粉和三氧化二铬混合作催化剂对实验效果的探究，我们选择这组催化剂来探究其最佳的质量比。

二、相同催化剂的不同质量比催化效果探究

将铜粉与三氧化二铬混合分别以150：1、100：1、50：1、20：1、10：1、5：1以及1：1的质量比进行实验探究。

实验时，先用酒精灯均匀加热催化管再集中在催化剂部位加热，直到把催化剂加热到微红（约2-3分钟）H]。开始鼓气唧，将氨水中的氨气与空气中的氧气慢慢鼓入催化管，观察现象至催化剂出现暗红色时停止加热，并且继续同速度按气唧通人氨气和氧气，催化剂继续保持先前的状态，圆底烧瓶会出现红棕色气体，过段时间，烧杯中盛有的紫色石蕊试剂的水溶液变红。我们以氨催化氧化的两个标志现象，圆底烧瓶出现红棕色的时间和撤离酒精灯后催化剂保持红热的程度两个因素来考察不同比例的配比催化剂的催化效果。

三、结论与讨论

1.从实验记录上可知，单铜粉作为催化剂的效果很不明显；三氧化二铬作为催化剂效果一般，并且也是大多数高中演示实验常用的催化剂。

3.三氧化二铬加铜粉的混合、三氧化二铬加铁粉的混合与三氧化二铬加铜丝的混合作为催化剂中，实验效果最好的是三氧化二铬加铜粉的混合，混合催化剂中实验效果优于单个催化剂。

4.三氧化二铬加铜粉混合作催化剂比三氧化二铬加铜丝混合作催化剂的效果好，其原因是：本实验是一个放热反应，可知在反应中，铜粉和三氧化二铬混合在一起可能具有协同作用，增加了各反应催化效果。实验过程伴随着能量的传递，有能量的传递就有了所谓的接触面积，保持整个催化剂的温度，因而铜粉比铜丝的接触面积要大，并且也比铜丝传递热量均匀，所以催化效果要更好。

5.由以上表格可看出三氧化二铬与铜粉混合作为催化剂时，质量比10：1效果最好，其原因是：本实验主要的催化剂是三氧化二铬，铜粉只起到协同加强催化效果的作用，所以铜粉在总质量中所占的比例不能过多，也不能太少。

对于氨催化氧化的实验中，用三氧化二铬加铜粉的混合催化剂，反应速率很快，缩短了反应时间，红棕色气体的现象很明显，在鼓气速度适中的情况下，未出现因为来不及氧化而使圆底烧瓶中产生烟雾的问题。本改进的创新之处在于采用了混合催化剂，即三氧化二铬与铜粉的混合，二者混合可以很好地改善实验现象，缩短反应的时间，其可能的原因是铜粉有很强的传热作用，在短时间内达到催化剂需要的高温，虽然铜粉和三氧化二铬都是本实验的有效催化剂，但是二者的混合催化剂可能具有协同催化的作用。endprint