元素化合物性质实验研究——氨催化氧化制硝酸

元素化合物性质实验研究——氨催化氧化制硝酸

一、实验计划

1、实验教学研究目的

a、了解氨催化氧化成一氧化碳，并转化、吸收成为硝酸的原理。

b、掌握实验室催化氧化的实验技能。

C、通过氨催化氧化演示实验教学，训练和培养演示教学的能力。

2、实验教学研究容

a、催化剂的制备。

b、设计氨的催化氧化实验装置。

c、氨的催化氧化实验教学技能。

3、实验教学研究用品

仪器：锥形瓶、干燥管、圆底烧瓶、双孔附导管橡皮塞两个、气唧、反应管、烧杯、酒精灯、铁架台、玻璃棉

药品：氨水、石蕊试液、蒸馏水、氢氧化钠溶液、重铬酸铵

4、实验研究计划

（一）实验原理

氨的催化氧化制硝酸反应是一个很复杂的反应过程。研究表明，根据不同的反应条件可以生成不同的氧化产物，这可有下面几个反应式给于说明：

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O

4NH3 + 4O2 = 2N2O + 6H2O

4NH3 + 3O2 =2N2 + 6H2O

要使氨的氧化反应只生成NO，只能选择相适应的反应条件，改变可能发生反应的速度，提高主反应的速度，使其他副反应受到抑制。事实证明，选用选择性强的催化剂是唯一切实可行的方法。本实验我们选择三氧化二铬作为催化剂。实验主要的反应为

4NH3+5O2=4NO+6H2O(条件：Cr2O3,加热)

2NO+O2=2NO2

3NO2+H2O=2HNO3+NO

(二)实验装置图

理论上：

实际实验过程的装置中浓氨水和反应管间并没有安装填充了碱石灰的干燥管。

（三）实验步骤

A、三氧化二铬催化剂的制备

取1-2g重铬酸铵放在石棉网上，用酒精灯加热使之分解，制得三氧化二铬。反应一分钟左右即看到有火星，桔红色固体变成蓬松状绿色固体，体积变大很多。反应的方程式为：

再继续灼烧一会，除掉产物中混有的H2O和N2，提高催化活性。

B、装置气密性的检查

连接装置，遵循“从下到上、从左到右”的原则连接好仪器。在烧杯中装水，浸没导气管口，用手捏气唧，观察烧杯中有气泡冒出。松开手后，看到导气管中有水柱。说明气密性良好。

C、实验过程

（1）装药品：在反应管一头装入适量玻璃棉，再装入适量的催化剂三氧化二铬，再装入适量玻璃棉。催化剂要堵满试管，使通过反应管的气体能从分接触到催化剂，提高反应效率。在锥形瓶中装入约75ml氨水和50mL蒸馏水，混合均匀。烧杯中装入配制好的是石蕊试液。配制石蕊试液时，留出一半放入另一烧杯，作颜色对比。

（2）加热：连接好装置，点燃酒精灯，先加热催化剂。可以保证反应瓶中的高温环境，使通过的气体可以立刻被催化反应。催化剂受热由草绿色变为灰黑色后，方可鼓气。此时催化剂没有发红现象。

（3）鼓气：开始捏气唧鼓气，鼓气速度不宜过快，也不宜过慢。

过快了会产生大量NH3，来不及反应就通过反应瓶，未反应的NH3和圆底烧瓶中生成的少量HNO3反应生成NH4NO3，会看到白色的“云”。由于密度比其他气体大，所以会看到白色的“云”沉在烧瓶底部，上层为红棕色气体（在我们的实验过程中，有出现这个现象）。过慢，会导致空气不足，不能保证有足够的O2和NH3反应，反应无法进行。

（4）观察现象：观察圆底烧瓶气体颜色变化和烧杯中石蕊试液的颜色变化。反应几分钟时间后，看到圆底烧瓶中开始出现红棕色气体，随着反应的进行，颜色越来越浓。烧瓶中充满红棕色气体后，才能看到石蕊试液开始慢慢变色，最后变为红色。

反应一段时间后观察催化剂，看到反应管中的催化剂出现了红热现象，说明反应是放热反应。且催化剂为灰黑色。

（5）反应结束：先撤离装石蕊的烧杯，在撤离酒精灯。防止倒吸。处理圆底烧瓶中的气体时，应该注意，NO和NO2均为有毒气体，应加水使其溶解。

D、实验注意事项

（1）实验装置的气密性要好

（2）操作中，鼓气速率要适中，过快，氨气不能完全催化氧化，且使体系温度下降。鼓气太慢，氧气不足，两者均会在烧瓶中形成白色烟雾而很难观察到红棕色气体。

（3）催化剂Cr2O3要保持干燥，且现用现制。

（4）若反应过程中催化剂保持发红，而烧瓶中无红棕色NO2出现，可打开烧瓶塞子，鼓进一些空气；若催化剂发红，烧瓶出现白烟，继续鼓气，白烟仍不消失，再调节插入氨水中导气管的深度。

二、实验现象的描述

本次实验，在观察到催化剂有部分由草绿色变成灰黑色之后就开始鼓气，在相当长的一段时间之后才在圆底烧瓶顶部看到红棕色气体，且随着时间的推移，烧瓶中的红棕色越来越浓，当烧瓶中充满红棕色气体后，才能看到石蕊试液开始慢慢变色，最后变成橙红色。

三、实验最大收获

本次实验，我们这一大组的同学分别组装了不同的实验装置进行实验，都达到了预期的实验设想，总的来说，实验效果还是不错的。通过本次氨的催化氧化制硝酸实验研究，我学到了，完成一个实验不仅仅只有一套实验装置，我们可以通过思考和验证来选择比较好的实验装置。在思考和验证过程中，不仅复习和温故了我们之前的知识，而且丰富了我们的课外知识、拓宽了我们的思维。

通过实验我知道了氨的催化氧化实验成功的关键是：鼓气速度的影响；氨水的浓度；催化剂

及催化温度的影响。所以在设计实验装置的时候我们要从这几方面考虑，这样才能保证我们实验能看到比较明显的现象。

四、思考与讨论

1、氨催化氧化的原理是什么？

答：4NH3+5O2=4NO+6H2O(条件：Cr2O3,加热)

2NO+O2=2NO2

3NO2+H2O=2HNO3+NO

2、催化剂对化学反应速率有何影响？催化剂本身有何性质？

答：催化剂改变反应的途径，不改变结果。使用正催化剂能够降低反应所需的能量，使更多的反应物分子成为活化分子，大大提高了单位体积反应物分子的百分数，从而成千上万倍地增大了反应物速率。负催化剂则反之。催化剂只能改变化学反应速率，却改不了化学反应平衡。

催化剂定义：在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率（既能提高也能降低），而本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有发生改变的物质叫催化剂。

催化剂性质：

a、使用催化剂同等程度的增大（减慢）正逆反应速率；

b、催化剂只能催化可能发生的反应，对不发生的反应无作用；

c、催化剂具有一定的选择性和高校性；

d、没特别指明一般指正催化剂；

e、催化剂中毒：催化剂的活性因接触少量的杂质而明显下降甚至遭到破坏，这种现象叫催化剂中毒。

3、除了课本中提到的催化剂，还有哪些催化剂对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剂有：Pt、Cu、Cr2O3、CoO、MnO2、Fe2O3、MoO3，4、催化剂的种类、氧气的量、氨水的浓度对实验效果有何影响？

答：在反应中，有水生成。如果催化剂表面吸附着水，催化剂就没有活性，对氨的氧化无催化作用；另外，从化学平衡移动来讲，催化剂上吸附着水，则可使反应向逆反应方向进行。（1）用铂石棉做催化剂

铂石棉疏松，易吸水份因此，不管是新的铂石棉，还是回收的铂石棉，都要把铂石棉放八干燥的试管中加热，以除去吸附的水分和其他气体。干燥、活化的铂石棉是使实验成功的关键。

铂的催化效率比其他的催化试剂要快100倍，但是价格昂贵，所以不常使用。

（2）用三氧化二铬做催化剂

用重铬酸钾加热分解来制取，由于生成水，所以分解反应结束后，还要继续加热一段时间，使其充分干燥，提高活性。

这种新生态的三氧化二铬的表面活性大。催化能力强，所以能使实验得到较好的效果。（3）用氧化钴做催化剂

将硝酸钴加热至分解，把得到的黑色氧化钴粉末和约10倍质量的石棉充分搅拌混合。也可将石棉浸泡在硝酸钴溶液中，然后取出烘干、灼烧获得。

（4）用氧化铁做催化剂

制成活性氧化铁石棉用于催化。

在氢氧化铵溶液中注入少量的氯化铁即有氢氧化铁沉淀产生，将其过滤、水洗后和石棉相混合，在加热灼烧使其分解即可。

此外，还可以选用铜丝、银、四氧化三铁、二氧化锰、氧化铁等等。Pt的催化效果最佳，但是铂的价格昂贵，实验室较少使用；一般用Cr2O3。

氧气的影响：过量的氧气和氨气会会生成NO或NO2反应形成含有硝酸铵或亚硝酸铵的白烟；若氧气过少，不但无法使催化剂保持红热状态，也不利于NO2的生成。

不同浓度氨水的影响：不同浓度的氨水对于氨气的产生的量和快慢有关，而反应物是氨气和氧气，在理论上氧气和氨气的比例在1.8：1左右时，其NO的产率最高，该比值相当于氨和空气的混合气体中氨的含量为10%左右。

不能采用纯氧，因为纯氧和氨气混合容易发生爆炸，而且采用纯氧，对装置的要求也会复杂。

5、如何检验生成了硝酸？

答：烧杯中的石蕊试液变成红色

6、在中学化学教学过程中，氨催化氧化实验主要说明什么问题？教学中如何通过实验达到这一目标？

答：通过实验探究，培养学生进行课堂实验的准备、操作能力以及寻找更好的实验装置，在教学过程中我们要在实验引导和启迪思维结合的原则上，通过实验现象的分析由学生自己得出结论。

五、关于本实验的一些讨论（查阅资料得知）：

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。

1．鼓气速度的影响

对于鼓气速度：

（1）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NO2或NO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；

（2）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NO的生成。

通过查阅文献，得知有人设计了如图实验装置对鼓气速度进行了初步研究，实验数据见表。

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。

结论：

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。

2、催化剂的选择

查阅文献知道一些催化剂的比较：

3.不同浓度氨水的影响

不同浓度的氨水对于氨气的产生的量和快慢有关，而反应物是氨气和氧气，在理论上氧气和氨气的比例在1.8:1左右时，其NO的产率最高，该比值相当于氨和空气的混合气体中氨的含量为10%左右。不能采用纯氧，因为纯氧和氨气混合容易发生爆炸，而且采用纯氧，对装置的要求也会复杂。

实验过程中我们要注意以下几点：1、实验装置的气密性要好；2、操作中，鼓气速率要适中，过快，氨气不能完全催化氧化，且使体系温度下降。鼓气太慢，氧气不足，两者均会在烧瓶中形成白色烟雾而很难观察到红棕色气体；3、催化剂Cr2O3要保持干燥，且现用现制；4、要注意用火安全以及尾气处理。

六、实验改进

本次实验过程中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下的改进，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。