氨氧化法制备硝酸

实验1：氨的催化氧化制硝酸（单击观看：实验研究录像） 实验1：氨的催化氧化制硝酸 　　氨的催化氧化实验是工业制硝酸的基础，重要且难度大、成功率较低，研究并设计好本实验对培养教师的创新素质、提高实验研究、改进能力大有裨益。 【实验目的】 　　1. 设计出氨催化氧化演示实验的合理装置。 　　2. 研究并选择适合中学实验条件的催化剂。 　　3. 掌握本实验成功的关键和操作技术。 【设计内容和要求】 　　1. 结合自己教学实践经验和当地学校实验条件，设计两种氨氧化演示实验的简易装置，并画出实验装置图、简述实验步骤及注意事项。 　　2. 选择三种催化剂进行氨的催化氧化对比实验，寻找合适催化剂。 　　3. 对氨水浓度、鼓气速度及装置的简化做一些对比实验进行研究。 【研究和讨论】 　　1. 本实验成功的标志是什么？ 　　2. 总结本实验成功的关键和操作技术。 　　3. 可以作本实验的催化剂有哪些？结合你校实验条件何种催化剂易得效果又好？ 　　4. 本实验易出现那些异常现象？如何防止并消除？ 【参考资料】 　　1. 催化剂的选择与制备 　　通过对部分过渡元素及ⅡA、ⅢA族几种元素的氧化物、单质共16种物质作催化剂进行大量、重复的实验说明：Cr203、Mn02、Cu0、Fe203、V2O5、钴石棉、银石棉、铂石棉、铜丝等都可以作本实验的催化剂，其中尤以价格低廉而又易得的Cr203、Mn02、Cu0的效果最佳。 　　三氧化二铬的制备：将重铬酸铵晶体少许放入干燥的试管底部加热分解可得到疏松的三氧化二铬。其反应是： 　　银石棉的制备：将石棉绒放入硝酸银溶液中浸透，取出后挤去多余的溶液，烘干、灼烧即得银石棉。 　　钴石棉的制备：用石棉绒浸透硝酸钴溶液，烘干、灼烧即得。或用硝酸钴加热分解得到黑色氧化钴粉末，再与少许干燥的石棉绒均匀混合即得。 　　活性催化剂的制备：取粒状煤渣为载体，用饱和的重铬酸铵溶液浸透，放入蒸发皿中烘干，再充分焙烧即得三氧化二铬为主的催化剂(因煤渣里已含有少量三氧化二铁等具有催化活性的组分)。 　　还可将饱和高锰酸钾溶液吸附在粒状煤渣载体上，烘干、焙烧至无氧气放出，再用水洗至滤液不呈碱性，再烘干即得二氧化锰为主的活性催化剂。 　　2. 催化管的选择与催化剂的装填 　　大量的实验研究表明，本实验成功的关键是氨、氧混合气体与热的催化剂充分接触。由于催化剂大多数是粉末状的，如果催化剂填充太紧，反应混合气体难以通过，致使实验现象不明显；如果填充太松，特别是有较大空隙时，将有一部分氨、氧混和气体末与催化剂接触，而导致生成白烟。所以催化管宜细不宜粗，内经为5mm左右较为适宜。粉末状催化剂按图1-1进行装填： 　　如图A所示，用一根铁丝将少量玻璃纤维推入催化管中部，再如图B所示，将催化管插入盛粉末状催化剂的试剂瓶内，使催化剂进入催化管1.5cm左右，然后如图C所示，将催化管倒过来，轻轻敲催化管，使催化剂疏松地粘在玻璃纤维上。不能先把催化剂装入催化管，再用铁丝把玻璃纤维推入，这样装填的催化剂太紧而不疏松。实验证明，以颗粒状的催化剂效果好。对于粉末太细的催化剂(如Fe203等)，则应先粘附在玻璃纤维上，再用铁丝推入催化管内。内径大于6mm的催化管，要在催化剂两边放玻璃纤维或棉花，使催化剂与催化管内壁不留空隙。 　　3.实验的选择 　　(1) 纯氧对氨的氧化 　　方法一：实验装置如图1-2。 　　主要操作步骤：用塑料袋收集氧气，在长约15cm内径4mm的玻管内疏松地填入Cr203或Mn02、Cu0连接好实验装置。用酒精灯加热催化剂，待轻轻挤压塑料袋使催化剂发红时(大约半分钟左右)，移开酒精灯，继续鼓气, 催化剂保持红热，并立刻见到红棕色气体。用浓磷酸(或浓硫酸)洗涤反应后的气体，既可防止白雾产生，使红棕色现象明显可靠，又可提高对氨水浓度的适应范围。浓磷酸(或浓硫酸)在此既为气体的干燥剂，又是未被氧化的氨气的吸收剂。由于吸收了多余的氨，所以氨水浓度大些花时少，且NO2的红棕色出现得快。 　　至于鼓气速度，则对该实验结果影响不大，只要注意轻轻挤压塑料袋不使催化剂受气流冲击而移位即可。 　　洗气装置最好用内径为8～10mm的玻管弯成U形管。浓磷酸(或浓硫酸)的量不宜多，只能按图1-2所示的与U形管上沿相切，否则鼓气时会把浓磷酸(或浓硫酸)压出U形管。 　　方法二：实验装置如图1-3。 　　主要操作步骤：在一塑料袋内收集氨、氧混合气体，使VO2﹥VNH3。按图连接好装置。加热催化剂至轻轻挤压塑料袋催化剂发红时，移去酒精灯，催化剂仍保持红热，把试剂瓶套在玻管口部，立刻见到红棕色气体。 　　氨、氧混合气体的收集及体积比的控制： 　　方法1用KClO3和MnO2混和加热，先收集大半袋02，再加热浓氨水至塑料袋充满。 　　方法2将28％的氨水与30％的过氧化氢以2﹕3的体积比注入锥形瓶内。再加少量Mn02作催化剂，按图1-4的装置收集氨、氧混和气体，由于过氧化氢的分解反应是一个放热反应，收集时应注意安全。应使用口径稍大的乳胶管和导气管，收集前要检查导气管是否畅通。另外，氨水和过氧化氢的用量应尽可能少些。一般6mL氨水和 9 mL过氧化氢产生的混和气体可做8～10次实验，足够—个班的演示。 　　(2)空气对氨的氧化实验装置如图1-5 　　主要操作步骤：用试管夹夹住催化管4，在酒精灯上加热催化剂至鼓入空气催化剂发红(约半分钟)。继续鼓入空气，并将催化管插入平底烧瓶，催化剂仍维持红热，瓶内立即出现红棕色气体。加入少量含石蕊试液的蒸馏水，石蕊变红。其他参考装置如图1-6、图1-7。 　　主要操作步骤：取内径8～15mm、长15cm左右的硬质玻管为反应管，在其中部约2cm范围装满以煤渣为载体的活性催化剂、或新制Cr203、颗粒状的Mn02 (或Cu0)，两侧塞以玻璃纤维或耐火棉，按图连接好装置。将酒精灯焰预热催化管后集中加热催化剂30～40秒钟，缓慢鼓入空气，待催化剂发红时移开酒精灯，加快鼓气速度，催化剂继续红热，氧化瓶中出现红棕色气体。 　　氨水浓度要适宜，浓了氧化不完全,会产生白烟；稀了由于氧化产物少，催化剂红热现象不明显，红棕色的现象不易观察到。氨水浓度要根据室温高低加以调节，当氨水浓度和室温接近如下关系时，可使实验获得满意效果。 　　　室温(℃) 　0 　5 　10 　15 　20 　25 　30 　　　氨水(％)　27 　24 　21 　18 　15 　12　 9 　　鼓入空气的速度要适当，一般是先慢慢鼓气，待催化剂开始红热，移开酒精灯时适当加快。鼓气时用拇指按住洗耳球底部气孔轻轻挤压洗耳球，移开拇指时用另一只手的拇指和食指捏紧连接洗耳球的乳胶管，以防倒吸。 　　氨氧化产物导入接收器的时间要控制好。如果在实验前先把导管插入接收器中，则容易出现白烟。只有当氨催化氧化放出的热量能维持催化剂发红时，再把导管插入接收器中，这样导出的混合气体含氨少，一氧化氮较多、效果好。 　（注：为了防止倒吸时将红热的催化剂吸入盛氨水的锥形瓶(具支试管)引起氨、氧混合气体爆炸，一定要在盛氨水的装置和催化管的连接处放防爆铜丝卷。）