元素化合物性質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究——氨催化氧化制硝酸

1、元素化合物性質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究氨催化氧化制硝酸一、實(shí)驗(yàn)計(jì)劃1、實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究目的a、了解氨催化氧化成一氧化碳，并轉(zhuǎn)化、吸收成為硝酸的原理。b、掌握實(shí)驗(yàn)室催化氧化的實(shí)驗(yàn)技能。C、通過氨催化氧化演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)，訓(xùn)練和培養(yǎng)演示教學(xué)的能力。2、實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究內(nèi)容a、催化劑的制備。b、設(shè)計(jì)氨的催化氧化實(shí)驗(yàn)裝置。c、氨的催化氧化實(shí)驗(yàn)教學(xué)技能。3、實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究用品儀器：錐形瓶、干燥管、圓底燒瓶、雙孔附導(dǎo)管橡皮塞兩個(gè)、氣唧、反應(yīng)管、燒杯、酒精燈、鐵架臺、玻璃棉藥品：氨水、石蕊試液、蒸餾水、氫氧化鈉溶液、重鉻酸銨4、實(shí)驗(yàn)研究計(jì)劃（一）實(shí)驗(yàn)原理 氨的催化氧化制硝酸反應(yīng)是一個(gè)很復(fù)雜的反應(yīng)過程。研究表明，根據(jù)不同的反應(yīng)條件可以生成

2、不同的氧化產(chǎn)物，這可有下面幾個(gè)反應(yīng)式給于說明：4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O4NH3 + 4O2 = 2N2O + 6H2O4NH3 + 3O2 =2N2 + 6H2O 要使氨的氧化反應(yīng)只生成NO，只能選擇相適應(yīng)的反應(yīng)條件，改變可能發(fā)生反應(yīng)的速度，提高主反應(yīng)的速度，使其他副反應(yīng)受到抑制。事實(shí)證明，選用選擇性強(qiáng)的催化劑是唯一切實(shí)可行的方法。本實(shí)驗(yàn)我們選擇三氧化二鉻作為催化劑。實(shí)驗(yàn)主要的反應(yīng)為4NH3+5O2=4NO+6H2O(條件：Cr2O3,加熱)2NO+O2=2NO23NO2+H2O=2HNO3+NO (二)實(shí)驗(yàn)裝置圖 理論上：實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程的裝置中濃氨水和反應(yīng)管間并沒有安裝填

3、充了堿石灰的干燥管。 （三）實(shí)驗(yàn)步驟A、三氧化二鉻催化劑的制備取1-2g重鉻酸銨放在石棉網(wǎng)上，用酒精燈加熱使之分解，制得三氧化二鉻。反應(yīng)一分鐘左右即看到有火星，桔紅色固體變成蓬松狀綠色固體，體積變大很多。反應(yīng)的方程式為：再繼續(xù)灼燒一會，除掉產(chǎn)物中混有的H2O和N2，提高催化活性。 B、裝置氣密性的檢查連接裝置，遵循“從下到上、從左到右”的原則連接好儀器。在燒杯中裝水，浸沒導(dǎo)氣管口，用手捏氣唧，觀察燒杯中有氣泡冒出。松開手后，看到導(dǎo)氣管中有水柱。說明氣密性良好。 C、實(shí)驗(yàn)過程（1）裝藥品：在反應(yīng)管一頭裝入適量玻璃棉，再裝入適量的催化劑三氧化二鉻，再裝入適量玻璃棉。催化劑要堵滿試管，使通過反應(yīng)管的

4、氣體能從分接觸到催化劑，提高反應(yīng)效率。在錐形瓶中裝入約75ml氨水和50mL蒸餾水，混合均勻。燒杯中裝入配制好的是石蕊試液。配制石蕊試液時(shí)，留出一半放入另一燒杯，作顏色對比。（2）加熱：連接好裝置，點(diǎn)燃酒精燈，先加熱催化劑?？梢员ＷC反應(yīng)瓶中的高溫環(huán)境，使通過的氣體可以立刻被催化反應(yīng)。催化劑受熱由草綠色變?yōu)榛液谏?，方可鼓氣。此時(shí)催化劑沒有發(fā)紅現(xiàn)象。（3）鼓氣：開始捏氣唧鼓氣，鼓氣速度不宜過快，也不宜過慢。過快了會產(chǎn)生大量NH3，來不及反應(yīng)就通過反應(yīng)瓶，未反應(yīng)的NH3和圓底燒瓶中生成的少量HNO3反應(yīng)生成NH4NO3，會看到白色的“云”。由于密度比其他氣體大，所以會看到白色的“云”沉在燒瓶底部，

5、上層為紅棕色氣體（在我們的實(shí)驗(yàn)過程中，有出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象）。過慢，會導(dǎo)致空氣不足，不能保證有足夠的O2和NH3反應(yīng)，反應(yīng)無法進(jìn)行。（4）觀察現(xiàn)象：觀察圓底燒瓶氣體顏色變化和燒杯中石蕊試液的顏色變化。反應(yīng)幾分鐘時(shí)間后，看到圓底燒瓶中開始出現(xiàn)紅棕色氣體，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，顏色越來越濃。燒瓶中充滿紅棕色氣體后，才能看到石蕊試液開始慢慢變色，最后變?yōu)榧t色。反應(yīng)一段時(shí)間后觀察催化劑，看到反應(yīng)管中的催化劑出現(xiàn)了紅熱現(xiàn)象，說明反應(yīng)是放熱反應(yīng)。且催化劑為灰黑色。（5）反應(yīng)結(jié)束：先撤離裝石蕊的燒杯，在撤離酒精燈。防止倒吸。處理圓底燒瓶中的氣體時(shí)，應(yīng)該注意，NO和NO2均為有毒氣體，應(yīng)加水使其溶解。D、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)（1

6、）實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性要好（2）操作中，鼓氣速率要適中，過快，氨氣不能完全催化氧化，且使體系溫度下降。鼓氣太慢，氧氣不足，兩者均會在燒瓶中形成白色煙霧而很難觀察到紅棕色氣體。（3）催化劑Cr2O3要保持干燥，且現(xiàn)用現(xiàn)制。（4）若反應(yīng)過程中催化劑保持發(fā)紅，而燒瓶中無紅棕色NO2出現(xiàn)，可打開燒瓶塞子，鼓進(jìn)一些空氣；若催化劑發(fā)紅，燒瓶內(nèi)出現(xiàn)白煙，繼續(xù)鼓氣，白煙仍不消失，再調(diào)節(jié)插入氨水中導(dǎo)氣管的深度。二、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述本次實(shí)驗(yàn)，在觀察到催化劑有部分由草綠色變成灰黑色之后就開始鼓氣，在相當(dāng)長的一段時(shí)間之后才在圓底燒瓶頂部看到紅棕色氣體，且隨著時(shí)間的推移，燒瓶中的紅棕色越來越濃，當(dāng)燒瓶中充滿紅棕色氣體后，才能

7、看到石蕊試液開始慢慢變色，最后變成橙紅色。三、實(shí)驗(yàn)最大收獲本次實(shí)驗(yàn)，我們這一大組的同學(xué)分別組裝了不同的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，都達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)設(shè)想，總的來說，實(shí)驗(yàn)效果還是不錯的。通過本次氨的催化氧化制硝酸實(shí)驗(yàn)研究，我學(xué)到了，完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)不僅僅只有一套實(shí)驗(yàn)裝置，我們可以通過思考和驗(yàn)證來選擇比較好的實(shí)驗(yàn)裝置。在思考和驗(yàn)證過程中，不僅復(fù)習(xí)和溫故了我們之前的知識，而且豐富了我們的課外知識、拓寬了我們的思維。通過實(shí)驗(yàn)我知道了氨的催化氧化實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是：鼓氣速度的影響；氨水的濃度；催化劑及催化溫度的影響。所以在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置的時(shí)候我們要從這幾方面考慮，這樣才能保證我們實(shí)驗(yàn)?zāi)芸吹奖容^明顯的現(xiàn)象。四、思考與討論1

8、、氨催化氧化的原理是什么？答：4NH3+5O2=4NO+6H2O(條件：Cr2O3,加熱)2NO+O2=2NO23NO2+H2O=2HNO3+NO2、催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率有何影響？催化劑本身有何性質(zhì)？答：催化劑改變反應(yīng)的途徑，不改變結(jié)果。使用正催化劑能夠降低反應(yīng)所需的能量，使更多的反應(yīng)物分子成為活化分子，大大提高了單位體積內(nèi)反應(yīng)物分子的百分?jǐn)?shù)，從而成千上萬倍地增大了反應(yīng)物速率。負(fù)催化劑則反之。催化劑只能改變化學(xué)反應(yīng)速率，卻改不了化學(xué)反應(yīng)平衡。催化劑定義：在化學(xué)反應(yīng)里能改變其他物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速率（既能提高也能降低），而本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)前后都沒有發(fā)生改變的物質(zhì)叫催化劑。催化劑性質(zhì)：a

9、、使用催化劑同等程度的增大（減慢）正逆反應(yīng)速率；b、催化劑只能催化可能發(fā)生的反應(yīng)，對不發(fā)生的反應(yīng)無作用；c、催化劑具有一定的選擇性和高校性；d、沒特別指明一般指正催化劑；e、催化劑中毒：催化劑的活性因接觸少量的雜質(zhì)而明顯下降甚至遭到破壞，這種現(xiàn)象叫催化劑中毒。3、除了課本中提到的催化劑，還有哪些催化劑對氨的催化氧化起到催化作用？答：常用作氨的催化氧化的催化劑有：Pt、Cu、Cr2O3、CoO、MnO2、Fe2O3、MoO3，4、催化劑的種類、氧氣的量、氨水的濃度對實(shí)驗(yàn)效果有何影響？答：在反應(yīng)中，有水生成。如果催化劑表面吸附著水，催化劑就沒有活性，對氨的氧化無催化作用；另外，從化學(xué)平衡移動來講，

10、催化劑上吸附著水，則可使反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行。（1）用鉑石棉做催化劑鉑石棉疏松，易吸水份 因此，不管是新的鉑石棉，還是回收的鉑石棉，都要把鉑石棉放八干燥的試管中加熱， 以除去吸附的水分和其他氣體。干燥、活化的鉑石棉是使實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。鉑的催化效率比其他的催化試劑要快100倍，但是價(jià)格昂貴，所以不常使用。（2）用三氧化二鉻做催化劑用重鉻酸鉀加熱分解來制取，由于生成水，所以分解反應(yīng)結(jié)束后，還要繼續(xù)加熱一段時(shí)間，使其充分干燥，提高活性。這種新生態(tài)的三氧化二鉻的表面活性大。催化能力強(qiáng)，所以能使實(shí)驗(yàn)得到較好的效果。（3）用氧化鈷做催化劑 將硝酸鈷加熱至分解，把得到的黑色氧化鈷粉末和約10倍質(zhì)量的石棉充分

11、攪拌混合。也可將石棉浸泡在硝酸鈷溶液中，然后取出烘干、灼燒獲得。（4）用氧化鐵做催化劑制成活性氧化鐵石棉用于催化。在氫氧化銨溶液中注入少量的氯化鐵即有氫氧化鐵沉淀產(chǎn)生，將其過濾、水洗后和石棉相混合，在加熱灼燒使其分解即可。此外，還可以選用銅絲、銀、四氧化三鐵、二氧化錳、氧化鐵等等。Pt的催化效果最佳，但是鉑的價(jià)格昂貴，實(shí)驗(yàn)室較少使用；一般用Cr2O3。 氧氣的影響：過量的氧氣和氨氣會會生成NO或NO2反應(yīng)形成含有硝酸銨或亞硝酸銨的白煙；若氧氣過少，不但無法使催化劑保持紅熱狀態(tài)，也不利于NO2的生成。 不同濃度氨水的影響：不同濃度的氨水對于氨氣的產(chǎn)生的量和快慢有關(guān)，而反應(yīng)物是氨氣和氧氣，在理論上

12、氧氣和氨氣的比例在1.8：1左右時(shí)，其NO的產(chǎn)率最高，該比值相當(dāng)于氨和空氣的混合氣體中氨的含量為10%左右。 不能采用純氧，因?yàn)榧冄鹾桶睔饣旌先菀装l(fā)生爆炸，而且采用純氧，對裝置的要求也會復(fù)雜。5、如何檢驗(yàn)生成了硝酸？答：燒杯中的石蕊試液變成紅色6、 在中學(xué)化學(xué)教學(xué)過程中，氨催化氧化實(shí)驗(yàn)主要說明什么問題？教學(xué)中如何通過實(shí)驗(yàn)達(dá)到這一目標(biāo)？答：通過實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備、操作能力以及尋找更好的實(shí)驗(yàn)裝置，在教學(xué)過程中我們要在實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)和啟迪思維結(jié)合的原則上，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析由學(xué)生自己得出結(jié)論。五、關(guān)于本實(shí)驗(yàn)的一些討論（查閱資料得知）：該實(shí)驗(yàn)的成功與否受到若干實(shí)驗(yàn)條件的控制，如原料氣中氧和

13、氨的比例、水蒸氣的影響、催化劑的制備、催化溫度的控制等等。1 鼓氣速度的影響 對于鼓氣速度：（1）鼓氣速度過快會從濃氨水中帶出過多的氨氣。而過量的氨氣會和生成的NO2或NO反應(yīng)形成含有硝酸銨或亞硝酸銨的白煙，而事實(shí)上大多數(shù)實(shí)驗(yàn)失敗時(shí)確實(shí)出現(xiàn)了類似情況；（2）若鼓氣速度過慢則帶出的氨氣偏少，未達(dá)到反應(yīng)所需的濃度。不但無法使催化劑保持紅熱狀態(tài)，也不利于NO的生成。通過查閱文獻(xiàn)，得知有人設(shè)計(jì)了如圖實(shí)驗(yàn)裝置對鼓氣速度進(jìn)行了初步研究，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表。取質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為21的濃氨水分別進(jìn)行以上實(shí)驗(yàn)，其中鼓氣速度通過每分鐘按多少下打氣球進(jìn)行比較，用500 mL的量筒來測量排出的水的體積。四次實(shí)驗(yàn)均在相同的條件下進(jìn)

14、行，鼓氣速度是唯一的變量。結(jié)論：從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不難看出，盡管鼓氣的速度不同而且相差較大，但單位體積的空氣能夠帶出的氨氣的量卻是基本不變的。顯然在一定的溫度和壓強(qiáng)下，一定濃度的氨水的揮發(fā)性是恒定的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)最終證明了氨水的揮發(fā)性即氨水的飽和蒸汽壓只跟溫度、濃度和壓強(qiáng)有關(guān)。盡管只是初步實(shí)驗(yàn)，但是“氨氣催化氧化”實(shí)驗(yàn)的成敗顯然與鼓氣的速度沒有直接的關(guān)系。當(dāng)然極端的快速或慢速鼓氣對實(shí)驗(yàn)也會造成不利的影響。 2、催化劑的選擇查閱文獻(xiàn)知道一些催化劑的比較：催化劑加熱時(shí)間催化劑發(fā)生的現(xiàn)象燒瓶中產(chǎn)生紅棕色程度石蕊試液變色情況Ag2min發(fā)紅半分鐘后出現(xiàn)紅棕色，淺1分鐘后變紅Co2O31 min無現(xiàn)象15秒鐘后出現(xiàn)

15、紅棕色，深半分鐘后變紅Cr2O31 min明顯發(fā)紅15秒鐘后出現(xiàn)紅棕色，深半分鐘后變紅Fe3O41 min明顯發(fā)紅15秒鐘后出現(xiàn)紅棕色，深半分鐘后變紅MnO22 min發(fā)紅半分鐘后出現(xiàn)紅棕色，淺1分鐘后變紅Fe2O31 min發(fā)紅半分鐘后出現(xiàn)紅棕色，淺1分鐘后變紅所以可以根據(jù)實(shí)際需要，選擇合適的催化劑。 3.不同濃度氨水的影響 不同濃度的氨水對于氨氣的產(chǎn)生的量和快慢有關(guān)，而反應(yīng)物是氨氣和氧氣，在理論上氧氣和氨氣的比例在1.8:1左右時(shí)，其NO的產(chǎn)率最高，該比值相當(dāng)于氨和空氣的混合氣體中氨的含量為10%左右。不能采用純氧，因?yàn)榧冄鹾桶睔饣旌先菀装l(fā)生爆炸，而且采用純氧，對裝置的要求也會復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)過程中我們要注意以下幾點(diǎn)：1、實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性要好；2、操作中，鼓氣速率要適中，過快，氨氣不能完全催化氧化，且使體系溫度下降。鼓氣太慢，氧氣不足，兩者均會在燒瓶中形成白色煙霧而很難觀察到紅棕色氣體；3