氨氣催化氧化實驗的分析及改進

王　屹

文章編號:1005-6629(2009)08-0041-02中圖分類號:G633.8文獻標識碼:C

氨氣催化氧化是高中化學教學中的一個重要實驗,對于氨氣的性質和硝酸工業生產的教學有著非常重要的作用。凡是對該實驗有過研究的教師都會發現,這個實驗也是高中化學實驗中難度較大的一個。該實驗的成功與否受到若干實驗條件的控制,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。本文將對實驗成敗的關鍵再做研究,并對實驗裝置做出部分改進。

1實驗成敗原因的分析

1.1鼓氣速度的影響

圖1是氨催化氧化的經典實驗裝置示意圖,不但在高中課本中,而且在大學無機化學或普通化學的教材中也頻繁出現。不少關于此實驗的操作說明或類似的實驗研究文章中都會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到一個合理的比例,但是筆者在查閱了大量資料后發現對這個所謂的“鼓氣速度”該如何控制都未作詳細的說明。通常我們會理解成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NO或NO₂反應形成含有硝酸銨或亞硝酸銨的白煙,而事實上大多數實驗失敗時確實出現了類似情況;若鼓氣速度過慢則帶出的氨氣偏少,未達到反應所需的濃度,不但無法使催化劑保持紅熱狀態,也不利于NO₂的生成。通過多次的實驗,筆者對這個不明不白的“鼓氣速度”產生了懷疑。于是設計了如圖2的實驗裝置對鼓氣速度進行了初步研究,實驗數據見表1。

取質量分數約為21%的濃氨水分別進行以上實驗,其中鼓氣速度通過每分鐘按多少下打氣球進行比較,用500 mL的量筒來測量排出的水的體積。四次實驗均在相同的條件下進行,鼓氣速度是唯一的變量。從實驗數據不難看出,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下,一定濃度的氨水的揮發性是恒定的。這個實驗最終證明了一個簡單的常識,氨水的揮發性即氨水的飽和蒸汽壓只跟溫度、濃度和壓強有關。盡管只是初步實驗,但是“氨氣催化氧化”實驗的成敗顯然與鼓氣的速度沒有直接的關系。當然極端的快速或慢速鼓氣對實驗也會造成不利的影響,這是容易理解的。

1.2濃度的影響

在排除了“鼓氣速度”可能對實驗的影響后,再來看看濃度。要保證實驗的成功,氨水的濃度要適宜。在查閱了相關資料后發現,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驗,結果并不能夠保證每次都成功,相信其他老師也有類似的經歷。其中主要原因就是每次實驗的室溫是不同的,造成氨水的溫度不同,它的飽和蒸汽壓也發生了變化,因此氨水濃度要根據室溫高低加以調節。市售濃氨水的質量分數約為27%,在20 ℃時的密度為0.9 g·mL^-1。筆者通過實驗發現當氨水濃度接近如下關系時,可使實驗獲得滿意效果,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

不少教師在做該實驗時,用市售的三氧化二鉻作催化劑,發現催化效果不好,很難達到紅熱的狀態。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,發現三氧化二鉻的催化效果最為理想,這一點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,可能是因為用這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使用,只要注意保存時干燥,每次使用前置于石棉網上加熱烘干即可再次使用。

選擇該催化劑的另一個好處就是容易觀察到催化劑的紅熱現象,這也是該實驗中最重要的實驗現象之一。出現了這一現象說明氨催化氧化的實驗已成功了大半。那么達到怎樣的溫度開始鼓入氣體最容易出現催化劑的紅熱呢?筆者做了大量實驗后發現,當催化劑的顏色隨著加熱,其綠色開始轉暗時鼓入氣體,最容易出現紅熱現象,并且移去酒精燈后催化劑依然能夠保持紅熱。

2實驗裝置的改進

以上問題解決后已經可以看到紅棕色的二氧化氮氣體在燒瓶中慢慢生成了,但是同時燒瓶內卻凝結了大量的水蒸氣,使紅棕色看起來模模糊糊的。這主要是因為氨氣在氧化后生成了大量的水。水蒸氣的存在不僅不利于二氧化氮的觀察,而且會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,在燃燒管和燒瓶中增加一個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氣體。

參考文獻:

[1]劉光啟,馬連湘,劉杰主編.《化學化工物性數據手冊(無機卷)》[M].化學工業出版社,2002.