实验六 氨氧化法制硝酸(2020年整理).pdf

实验六氨氧化法制硝酸

一、实验目的

1．了解氨催化氧化成一氧化氮，经转化、吸收成为硝酸的原理和方法；

2．掌握实验室催化氧化的实验演示操作。

二、实验原理

在一定温度和催化剂作用下，氨被催化氧化成一氧化氮。一氧化氮极易氧化成二氧化氮，二氧化氮被水吸收生成硝酸和一氧化氮。利用这个原理来制备硝酸，

化学反应如下：

三、实验用品仪器和材料试管、具支试管、洗气瓶、U形管、硬质玻璃管、量筒、滴管，铁架台及附件、煤气灯或酒精灯、细铜丝，玻璃纤维、气唧、乳胶管（或橡胶管）、火柴。药品1:1.5氨水，二苯胺硫酸溶液，重铬酸铵、无水氯化钙。

四、实验内容及操作

1．催化剂的制备

实验中常用的催化剂为三氧化二铬，其制备方法与实验五中的催化剂制备方法相同。

2．具支试管内放1:1.5的氨水（约6mol/L）10～15mL。细的硬质玻璃管(长约15～20cm)内放入新制备的三氧化二铬催化剂约3cm长（两端可再放入卷成螺旋状的细铜丝），然后再塞入疏松的玻璃纤维固定。不要填塞过紧，以免影响气流畅通。

U形管内装入块状的无水氯化钙（作用是什么？），第一个洗气瓶是干净干燥的空瓶，第二个洗气瓶内放人少量的蒸馏水。

3．将装置如图2-6-1连接好后，检查装置的气密性（如何检查操作？）。

4．先用煤气灯（或酒精灯）均匀加热盛有催化剂的硬质玻璃管2～4min，直至催化剂呈现暗红色或红色。

5．停止加热，用气唧间歇地往氨水中鼓入空气，使空气和氨气的混合气体进入玻璃管中进行催化氧化。此时，催化剂继续保持红热状态，说明氨被催化氧化时放出大量的热。催化氧化后的混合气体经U形管中氯化钙干燥（并吸收剩余的氨）后进入空洗气瓶和水吸收瓶。数分钟后，空瓶内气体逐渐变为红棕色，待实验现象明显之后，停止实验。

6．用一支干净干燥的试管取10滴二苯胺硫酸溶液，加入几滴吸收瓶中的溶液，溶液呈深蓝色即可证明有硝酸生成。

五、注意事项

1．整个装置体系要保证气路畅通，且不漏气。所用仪器必须干燥，尤其是硬质玻璃管和空瓶。

2．用气唧鼓气要适中，鼓气太快，氨未完全催化氧化，气流过快使反应体系温度下降不利于催化氧化的进行。鼓气太慢，则氧气不足。二者均会在空洗气瓶中形成白色烟雾（形成硝酸铵微粒），而观察不到红棕色气体。

3．氨在空气中的爆炸极限为15.7%～27.4%，故氨水的浓度不能太大，否则反应中有发生爆炸的可能。为了防爆可在催化剂两端分别放入一小段螺旋状细铜丝，提高实验的安全性。

六、讨论与研究

1．反应条件

(1)催化剂能够对氨氧化起催化作用的催化剂种类较多，除三氧化二铬外，还可以用铂铜丝、银石棉、钻石棉等金属和五氧化二钒、氧化铁等多种金属氧化物，效果均较好。

(2)氧气过量

从化学反应来看氨的催化氧化氧气应过量，要使氧气过量可通过加大空气鼓入量或通入纯氧这两种途径。实验中多采用鼓入过量的空气，但空气过量过多会使气体流速加快并降低反应温度，影响催化效果。因此，鼓人空气不宜太快。采用鼓入纯氧，氨可在氧气中燃烧，但混合气体在高温下会发生爆炸，有一定危险性，往往采用放人防爆铜丝以防爆炸。

(3)氨水浓度

氨水的浓度对实验现象有较大的影响。实验证明，将1体积的浓氨水加1.5体积的水稀释，催化剂及空瓶内现象最为明显。在20℃时，氨水的理想浓度约为9%～110% (5～6mol．L-1)。实验室常用的浓氨水的浓度约为28%(15mol.L- 1)。

2．硝酸根离子的检验

将1g二苯胺[(C6H5)2NH]在搅拌下溶解于lOOmL密度为1.84g.cm-3的浓硫酸中，即成为二苯胺硫酸溶液

1实验成败原因的分析

图1是氨催化氧化的经典实验装置示意图，不但在高中课本中，而且在大学无机化

学或普通化学的教材中也频繁出现。不少关于此实验的操作说明或类似的实验研究文章

中都会提到鼓气速度的控制，即通过控制鼓入空气的速度使氨气和氧气达到一个合理的

比例，但是笔者在查阅了大量资料后发现对这个所谓的“鼓气速度”该如何控制都未作

详细的说明。通常我们会理解成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NO或NO2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；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NO2的生成。通过多次的实验，笔者对这个不明不白的“鼓气速度”产生了怀疑。于是设计了如图2的实验装置对鼓气速度进行了初步研究，实验数据见表1。

1.2浓度的影响

在排除了“鼓气速度”可能对实验的影响后，再来看看浓度。要保证实验的成功，氨水的浓度要适宜。在查阅了相关资料后发现，有人用1∶1的氨水，而有些则是2∶1或3∶2，笔者按照这些配比去做实验，结果并不能够保证每次都成功，相信其他老师也有类似的经历。其中主要原因就是每次实验的室温是不同的，造成氨水的温度不同，它的饱和蒸汽压也发生了变化，因此氨水浓度要根据室温高低加以调节。

1.3催化剂及催化温度的影响

选择该催化剂的另一个好处就是容易观察到催化剂的红热现象，这也是该实验中最重要的实验现象之一。出现了这一现象说明氨催化氧化的实验已成功了大半。那么达到怎样的温度开始鼓入气体最容易出现催化剂的红热呢？笔者做了大量实验后发现，当催化剂的颜色随着加热，其绿色开始转暗时鼓入气体，最容易出现红热现象，并且移去酒精灯后催化剂依然能够保持红热。

2实验装置的改进

以上问题解决后已经可以看到红棕色的二氧化氮气体在烧瓶中慢慢生成了，但是同时烧瓶内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如图3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。