綠色微型實(shí)驗(yàn)在氨的催化氧化實(shí)驗(yàn)中的思考與實(shí)踐

祁愛儒（甘肅省會(huì)寧縣第四中學(xué)　甘肅會(huì)寧　730799）

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綠色微型實(shí)驗(yàn)在氨的催化氧化實(shí)驗(yàn)中的思考與實(shí)踐

祁愛儒
（甘肅省會(huì)寧縣第四中學(xué)甘肅會(huì)寧730799）

摘要：對(duì)中學(xué)化學(xué)教材中氨的催化氧化演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了重新的審視。從影響實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素、反應(yīng)物的精選與用量、催化劑的篩選、實(shí)驗(yàn)裝置的微型化創(chuàng)設(shè)、綠色實(shí)驗(yàn)操作步驟和現(xiàn)象等內(nèi)容做了思考與創(chuàng)新，既避免了教材實(shí)驗(yàn)中的不足，又體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化價(jià)值觀。

關(guān)鍵詞：綠色；微型；氨氣；催化氧化；實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

中學(xué)化學(xué)課本中介紹了氨的催化氧化演示實(shí)驗(yàn)，若按課本所述方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，因?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象不夠明顯，也難以判斷反應(yīng)進(jìn)行的程度，更重要的是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生的綠色價(jià)值觀的素質(zhì)教育教學(xué)目標(biāo)。為了克服實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的不確定性和有效落實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中素質(zhì)教育的綠色價(jià)值觀，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理和綠色微型實(shí)驗(yàn)的要求，對(duì)本實(shí)驗(yàn)從影響實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素、反應(yīng)物的精選與用量、催化劑的篩選、實(shí)驗(yàn)裝置的微型化創(chuàng)設(shè)、綠色實(shí)驗(yàn)操作步驟和現(xiàn)象等內(nèi)容做了如下的思考與創(chuàng)新。

一、影響實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素

在化學(xué)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，往往會(huì)遇到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯甚至失敗的情況。原因何在呢？一般情況不外乎試劑不純或變質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)條件不適宜、實(shí)驗(yàn)操作方法不當(dāng)、實(shí)驗(yàn)儀器裝置欠妥等。那么，影響氨催化氧化實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素是什么呢？在現(xiàn)行高中化學(xué)教科書中介紹氨的重要性質(zhì)——氨的催化氧化時(shí)，為了引導(dǎo)學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、探究氨催化氧化原理，從而理解氨催化氧化的性質(zhì)。我們常見到如下的一些裝置（圖1、圖2、圖3、圖4等）來(lái)完成氨的催化氧化的演示實(shí)驗(yàn)。

圖1　氨的催化氧化裝置1

圖2　氨的催化氧化裝置2

圖3　氨的催化氧化裝置3

圖4　氨的催化氧化裝置4

從圖中發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)可以采用不同的催化劑，不同的催化劑具有不同的催化性能，因此，不同催化劑的選用是影響本實(shí)驗(yàn)的因素之一。一般情況下，催化劑的活性在高溫和干燥的條件下最強(qiáng)，因此，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中催化劑的溫度和干燥性也將是影響本實(shí)驗(yàn)的因素之一。另外，從圖中還發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中所需的氨氣和氧氣分別是由氨水和空氣提供的，根據(jù)氨催化氧化過(guò)程中所涉及的如下一系列化學(xué)反應(yīng)：

可知：氨水的濃度大?。舛却?，結(jié)果產(chǎn)生白煙）和鼓氣速度（多鼓氣會(huì)帶入較多水分）也將是影響本實(shí)驗(yàn)的因素之一。但是，在上述裝置中做實(shí)驗(yàn)時(shí)，催化劑種類、溫度和干燥程度、氨水的濃度、鼓氣速度等影響因素中，惟獨(dú)氨水的濃度難以把握。因?yàn)?，氨水的濃度受?shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度、空氣濕度、揮發(fā)的速度、操作的熟練程度等都有一定的影響，這就造成了老師在演示本實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)所用氨水的濃度不能把握，這是導(dǎo)致本實(shí)驗(yàn)最終能否成功的關(guān)鍵因素所在。那么，怎樣才能解決這一難題呢？顯然應(yīng)讓其從不可控變可控為抓手，確定反應(yīng)物及其用量。

二、反應(yīng)物的精選與用量

我們本著以綠色化理念、易控制、易反應(yīng)、簡(jiǎn)單、易操作的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行反應(yīng)物的精選與用量的確定。取室溫下（25℃）一定量的濃氨水（密度為0.91 g/mL、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%）和一定量的過(guò)氧化鈉作為反應(yīng)物來(lái)提供氨氣和氧氣，根據(jù)下列反應(yīng)來(lái)確定二者的用量：

即按照1molNH3·H2O∶4mol Na2O2（或按質(zhì)量比約1∶8.91）的比例取二者反應(yīng)物的用量，氨氣恰好被氧氣所氧化生成硝酸，再考慮到氨氣在純氧中燃燒的爆炸極限（13.5%～79%）和實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)部少量的空氣，若取1g氨水（或約1.1mL氨水），9～10g過(guò)氧化鈉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所得氨氣與氧氣的體積比為48.3%～43.3%，處在爆炸極限范圍內(nèi)，所以，為了從安全角度考慮，所選擇的催化劑應(yīng)注重具有防爆性能的催化劑。

三、催化劑的篩選

在氨的催化氧化實(shí)驗(yàn)中，我們常見到的Cr2O3作為該實(shí)驗(yàn)的常用催化劑，但是根據(jù)資料表明該實(shí)驗(yàn)所用催化劑還有好多種：鉑（Pt）、銅（Cu）、氧化鈷（CoO）、氧化鐵（Fe2O3）、氧化鉬（MoO3）、二氧化錳（MnO2）等。從它們的價(jià)格（鉑昂貴）、爆炸性（Cr2O3）、實(shí)驗(yàn)效果不理想（Cu）、實(shí)驗(yàn)前的預(yù)處理程序（Fe2O3、CoO）、毒性（Cr2O3）、環(huán)境污染（Cr2O3）、防爆性能（Cu）等方面考慮，應(yīng)找到一種高效、安全、廉價(jià)、污染小的催化劑。

查找資料表明，氧化銅可以代替Cr2O3做氨催化氧化的催化劑，屬于P型半導(dǎo)體，含正離子缺位，且在高溫下易被氨還原成銅：3CuO+2NH3=3Cu+3H2O+N2，此反應(yīng)產(chǎn)生的銅又可避免實(shí)驗(yàn)發(fā)生爆炸。而MnO2同樣也是P型半導(dǎo)體，含正離子缺位，與CuO混合可以提高反應(yīng)速率。

從上述資料信息不難發(fā)現(xiàn)，用CuO和MnO2取代Cr2O3作催化劑是有效可行的。這種混合催化劑符合價(jià)格相對(duì)低廉、污染相對(duì)?。ū菴r2O3污染小）、防爆（產(chǎn)生的銅可預(yù)防爆炸的發(fā)生）。

四、實(shí)驗(yàn)裝置的微型化創(chuàng)新

根據(jù)上述思考，氧氣由濃氨水中的水與過(guò)氧化鈉反應(yīng)來(lái)提供，而其反應(yīng)產(chǎn)生的熱量可用來(lái)升高濃氨水的溫度，加速濃氨水分解來(lái)提供氨氣，催化劑為固體物質(zhì)。故可創(chuàng)設(shè)如下裝置（固定支架略去）：

圖5　微型化裝置

該實(shí)驗(yàn)裝置集氧氣、氨氣的產(chǎn)生于一具支小試管中，集現(xiàn)象、尾氣處理于一干燥器中，裝置凸顯了綠色化、微型化、簡(jiǎn)單化和操作簡(jiǎn)易化。干燥管中設(shè)計(jì)了一高一低的兩個(gè)進(jìn)氣管，有利于一氧化氮與空氣在低溫區(qū)充分反應(yīng)生成二氧化氮而觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

五、綠色實(shí)驗(yàn)操作步驟和現(xiàn)象

（1）按圖示裝置連接各實(shí)驗(yàn)儀器，并在相關(guān)儀器中加入相應(yīng)的適量藥品（或試劑）（注：①實(shí)驗(yàn)裝置氣密性良好；②實(shí)驗(yàn)中所加藥品（或試劑）都恰好滿足實(shí)驗(yàn)用量）。

（2）先用酒精燈預(yù)熱催化劑3分鐘左右。

（3）然后移開酒精燈，并同時(shí)向里推注射器1的活塞，瞬間可看到催化劑明顯發(fā)紅，當(dāng)注射器1中的反應(yīng)停止時(shí)，催化劑未見發(fā)紅。說(shuō)明氨的催化氧化是一個(gè)放熱反應(yīng)，放出的熱量使催化劑發(fā)紅。

（4）當(dāng)催化劑不發(fā)紅和干燥管內(nèi)壁出現(xiàn)水霧時(shí)，然后擠壓一次雙連球（注：氣閥在擠壓雙連球時(shí)，自動(dòng)和外界關(guān)閉，放開雙連球時(shí)自動(dòng)和外界相連通），隨即在干燥管中出現(xiàn)了紅棕色氣體。這說(shuō)明在前面的反應(yīng)中產(chǎn)生了H2O和無(wú)色氣體NO，而NO在低溫下能被O2氧化為紅棕色的NO2氣體，即發(fā)生了反應(yīng)：2NO+O2

（5）慢慢向里推注射器2的活塞，向紅棕色氣體中噴灑少量稀氨水，可看到紅棕色消失，即刻產(chǎn)生了白煙。說(shuō)明NO2遇水生成了HNO3，HNO3又立即與NH3作用，生成了NH4NO3白煙。發(fā)生的反應(yīng)有：3 NO2+H2O=2HNO3+NO，HNO3+NH3=NH4NO3。

六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)

在上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程中證明了前面原理論證的正確性，取約1.1mL氨水（密度為0.91 g/mL、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%）與9g或10g過(guò)氧化鈉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以確保產(chǎn)生的氧氣和氨氣比較完全反應(yīng)，避免對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的干擾；干燥劑氯化鈣吸收濃氨水分解產(chǎn)生的水，確保參與反應(yīng)的氨氣與氧氣量的相對(duì)恒穩(wěn)；用玻璃纖維和混合催化劑（氧化銅與二氧化錳）既保證了氣體的充分接觸與反應(yīng)，又確保了氣體暢通無(wú)阻的通過(guò)，也強(qiáng)化了催化劑的催化作用和保障了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的安全性；在干燥管中，由于兩進(jìn)氣管口位置的高低搭配，既增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的明顯程度，又滲透了HNO3和NH4NO3的生成過(guò)程，實(shí)驗(yàn)具有連續(xù)性，并營(yíng)造出綠色氛圍。該實(shí)驗(yàn)不但在大膽創(chuàng)設(shè)中實(shí)現(xiàn)了教學(xué)目標(biāo)，而且為學(xué)生創(chuàng)造了一個(gè)很大的思維空間，開拓了學(xué)生的思維，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力及綜合素質(zhì)，更重要的是在教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)了學(xué)生的綠色價(jià)值觀。

參考文獻(xiàn)

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doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.03.033

文章編號(hào)：1008-0546（2016）03-0090-03

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B