王　屹

文章編號(hào):1005-6629(2009)08-0041-02中圖分類號(hào):G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:C

氨氣催化氧化是高中化學(xué)教學(xué)中的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn),對(duì)于氨氣的性質(zhì)和硝酸工業(yè)生產(chǎn)的教學(xué)有著非常重要的作用。凡是對(duì)該實(shí)驗(yàn)有過研究的教師都會(huì)發(fā)現(xiàn),這個(gè)實(shí)驗(yàn)也是高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中難度較大的一個(gè)。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。本文將對(duì)實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵再做研究,并對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置做出部分改進(jìn)。

1實(shí)驗(yàn)成敗原因的分析

1.1鼓氣速度的影響

圖1是氨催化氧化的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)裝置示意圖,不但在高中課本中,而且在大學(xué)無機(jī)化學(xué)或普通化學(xué)的教材中也頻繁出現(xiàn)。不少關(guān)于此實(shí)驗(yàn)的操作說明或類似的實(shí)驗(yàn)研究文章中都會(huì)提到鼓氣速度的控制,即通過控制鼓入空氣的速度使氨氣和氧氣達(dá)到一個(gè)合理的比例,但是筆者在查閱了大量資料后發(fā)現(xiàn)對(duì)這個(gè)所謂的“鼓氣速度”該如何控制都未作詳細(xì)的說明。通常我們會(huì)理解成鼓氣速度過快會(huì)從濃氨水中帶出過多的氨氣,而過量的氨氣會(huì)和生成的NO或NO₂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;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NO₂的生成。通過多次的實(shí)驗(yàn),筆者對(duì)這個(gè)不明不白的“鼓氣速度”產(chǎn)生了懷疑。于是設(shè)計(jì)了如圖2的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)鼓氣速度進(jìn)行了初步研究,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

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(cè)量排出的水的體積。四次實(shí)驗(yàn)均在相同的條件下進(jìn)行,鼓氣速度是唯一的變量。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)最終證明了一個(gè)簡(jiǎn)單的常識(shí),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(duì)實(shí)驗(yàn)也會(huì)造成不利的影響,這是容易理解的。

1.2濃度的影響

在排除了“鼓氣速度”可能對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響后,再來看看濃度。要保證實(shí)驗(yàn)的成功,氨水的濃度要適宜。在查閱了相關(guān)資料后發(fā)現(xiàn),有人用1∶1的氨水,而有些則是2∶1或3∶2,筆者按照這些配比去做實(shí)驗(yàn),結(jié)果并不能夠保證每次都成功,相信其他老師也有類似的經(jīng)歷。其中主要原因就是每次實(shí)驗(yàn)的室溫是不同的,造成氨水的溫度不同,它的飽和蒸汽壓也發(fā)生了變化,因此氨水濃度要根據(jù)室溫高低加以調(diào)節(jié)。市售濃氨水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為27%,在20 ℃時(shí)的密度為0.9 g·mL^-1。筆者通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)氨水濃度接近如下關(guān)系時(shí),可使實(shí)驗(yàn)獲得滿意效果,具體的配制方法如表2所示。

1.3催化劑及催化溫度的影響

不少教師在做該實(shí)驗(yàn)時(shí),用市售的三氧化二鉻作催化劑,發(fā)現(xiàn)催化效果不好,很難達(dá)到紅熱的狀態(tài)。難道是三氧化二鉻又出了問題?筆者在比較了幾種常見的過渡金屬氧化物催化劑后,發(fā)現(xiàn)三氧化二鉻的催化效果最為理想,這一點(diǎn)和教材中的說法是一致的。但是市售的三氧化二鉻的催化效果確實(shí)不理想,而用加熱分解重鉻酸銨的方法制取的催化劑活性較好,可能是因?yàn)橛眠@種方法制得的三氧化二鉻非常疏松,有更大的接觸面積的原因。用該方法制備的三氧化二鉻可以反復(fù)使用,只要注意保存時(shí)干燥,每次使用前置于石棉網(wǎng)上加熱烘干即可再次使用。

選擇該催化劑的另一個(gè)好處就是容易觀察到催化劑的紅熱現(xiàn)象,這也是該實(shí)驗(yàn)中最重要的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之一。出現(xiàn)了這一現(xiàn)象說明氨催化氧化的實(shí)驗(yàn)已成功了大半。那么達(dá)到怎樣的溫度開始鼓入氣體最容易出現(xiàn)催化劑的紅熱呢?筆者做了大量實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),當(dāng)催化劑的顏色隨著加熱,其綠色開始轉(zhuǎn)暗時(shí)鼓入氣體,最容易出現(xiàn)紅熱現(xiàn)象,并且移去酒精燈后催化劑依然能夠保持紅熱。

2實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

以上問題解決后已經(jīng)可以看到紅棕色的二氧化氮?dú)怏w在燒瓶中慢慢生成了,但是同時(shí)燒瓶?jī)?nèi)卻凝結(jié)了大量的水蒸氣,使紅棕色看起來模模糊糊的。這主要是因?yàn)榘睔庠谘趸笊闪舜罅康乃?。水蒸氣的存在不僅不利于二氧化氮的觀察,而且會(huì)將其吸收形成硝酸酸霧。因此可將原有裝置做如圖3的改進(jìn),在燃燒管和燒瓶中增加一個(gè)裝有無水氯化鈣的干燥管。在這里氯化鈣不但具有干燥的作用,還能吸收過量的氨氣,可以更加直接清晰地觀察到紅棕色的二氧化氮?dú)怏w。

參考文獻(xiàn):

[1]劉光啟,馬連湘,劉杰主編.《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)(無機(jī)卷)》[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2002.