氨催化氧化制硝酸實驗催化劑的改進

蔣小飛

摘要：氨催化氧化制取硝酸是高中化學(xué)經(jīng)典的實驗之一，實驗現(xiàn)象不明顯，反應(yīng)時間過長、成功率較低等情況。為了改變演示實驗中出現(xiàn)的缺陷，通過改變催化劑的配置，研究了一種復(fù)合催化劑對實驗的影響，分別用銅粉、三氧化二鉻、三氧化二鉻與鐵粉混合、三氧化二鉻與銅絲混合、三氧化二鉻與銅粉混合作催化劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)三氧化二鉻和金屬的混合催化劑縮了反應(yīng)時間，實驗發(fā)現(xiàn)三氧化二鉻與銅粉（10：1）混合的實驗現(xiàn)象明顯，極大地縮短了反應(yīng)時間。

關(guān)鍵詞：重鉻酸銨；三氧化二鉻；銅粉；二氧化氮氣體

文章編號：1008-0546（2017）12-0083-02 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.12.028

教材編排此實驗的目的是引導(dǎo)學(xué)生對該實驗現(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)。但此演示實驗不易得到很好的效果，一是在集氣瓶中形成明顯的紅棕色氣體，時常會產(chǎn)生大量白煙。二是無法看到由于反應(yīng)放熱拆除酒精燈催化劑繼續(xù)發(fā)紅反應(yīng)繼續(xù)進行的現(xiàn)象，這是實驗成功的兩個重要標(biāo)志，沒有這兩個明顯的標(biāo)志性的實驗現(xiàn)象，教師難以啟迪學(xué)生的思維從而讓學(xué)生理解氨的這一性質(zhì)。工業(yè)上常用鉑作為本實驗最佳的催化劑，但由于鉑的價格昂貴，所以在中學(xué)演示實驗常選用三氧化二鉻、氧化鈷、銅等為本實驗的催化劑，甘肅教育學(xué)院化學(xué)系胡正東等共同研究的對于多個催化劑比較的研究，所得到的結(jié)論中在普通實驗室中沒有三氧化二鉻的，可以用四氧化三鐵。本研究用三氧化二鉻與銅粉、鐵粉、銅絲混合作催化劑，找出實驗效果最佳的混合催化劑配比的實驗方案，演示實驗效果明顯，反應(yīng)時間大為縮短。

本實驗研究的主要是考查催化劑對實驗的影響，經(jīng)過參考多個文獻，大多說明氨水的濃度一般在1.5：1至2：1之間較為合適，我們選用氨水的濃度比為2：1。采用以下裝置進行實驗：

1.不同混合催化劑的相同質(zhì)量比催化效果的初篩

將不同催化劑的相同質(zhì)量比混合作催化劑，分別是銅粉；三氧化二鉻；三氧化二鉻與鐵粉；三氧化二鉻與銅絲；三氧化二鉻與銅粉做對比實驗，（質(zhì)量比均為1：1，各為0.5克），將準(zhǔn)備好的不同催化劑的相同質(zhì)量比混合催化劑進行實驗，在5分鐘內(nèi)觀察實驗現(xiàn)象。

發(fā)現(xiàn)銅粉和三氧化二鉻的混合配比效果較好，本次實驗著重開展以銅粉和三氧化二鉻混合作催化劑對實驗效果的探究，我們選擇這組催化劑來探究其最佳的質(zhì)量比。

二、相同催化劑的不同質(zhì)量比催化效果探究

將銅粉與三氧化二鉻混合分別以150：1、100：1、50：1、20：1、10：1、5：1以及1：1的質(zhì)量比進行實驗探究。

實驗時，先用酒精燈均勻加熱催化管再集中在催化劑部位加熱，直到把催化劑加熱到微紅（約2-3分鐘）H]。開始鼓氣唧，將氨水中的氨氣與空氣中的氧氣慢慢鼓入催化管，觀察現(xiàn)象至催化劑出現(xiàn)暗紅色時停止加熱，并且繼續(xù)同速度按氣唧通人氨氣和氧氣，催化劑繼續(xù)保持先前的狀態(tài)，圓底燒瓶會出現(xiàn)紅棕色氣體，過段時間，燒杯中盛有的紫色石蕊試劑的水溶液變紅。我們以氨催化氧化的兩個標(biāo)志現(xiàn)象，圓底燒瓶出現(xiàn)紅棕色的時間和撤離酒精燈后催化劑保持紅熱的程度兩個因素來考察不同比例的配比催化劑的催化效果。

三、結(jié)論與討論

1.從實驗記錄上可知，單銅粉作為催化劑的效果很不明顯；三氧化二鉻作為催化劑效果一般，并且也是大多數(shù)高中演示實驗常用的催化劑。

3.三氧化二鉻加銅粉的混合、三氧化二鉻加鐵粉的混合與三氧化二鉻加銅絲的混合作為催化劑中，實驗效果最好的是三氧化二鉻加銅粉的混合，混合催化劑中實驗效果優(yōu)于單個催化劑。

4.三氧化二鉻加銅粉混合作催化劑比三氧化二鉻加銅絲混合作催化劑的效果好，其原因是：本實驗是一個放熱反應(yīng)，可知在反應(yīng)中，銅粉和三氧化二鉻混合在一起可能具有協(xié)同作用，增加了各反應(yīng)催化效果。實驗過程伴隨著能量的傳遞，有能量的傳遞就有了所謂的接觸面積，保持整個催化劑的溫度，因而銅粉比銅絲的接觸面積要大，并且也比銅絲傳遞熱量均勻，所以催化效果要更好。

5.由以上表格可看出三氧化二鉻與銅粉混合作為催化劑時，質(zhì)量比10：1效果最好，其原因是：本實驗主要的催化劑是三氧化二鉻，銅粉只起到協(xié)同加強催化效果的作用，所以銅粉在總質(zhì)量中所占的比例不能過多，也不能太少。

對于氨催化氧化的實驗中，用三氧化二鉻加銅粉的混合催化劑，反應(yīng)速率很快，縮短了反應(yīng)時間，紅棕色氣體的現(xiàn)象很明顯，在鼓氣速度適中的情況下，未出現(xiàn)因為來不及氧化而使圓底燒瓶中產(chǎn)生煙霧的問題。本改進的創(chuàng)新之處在于采用了混合催化劑，即三氧化二鉻與銅粉的混合，二者混合可以很好地改善實驗現(xiàn)象，縮短反應(yīng)的時間，其可能的原因是銅粉有很強的傳熱作用，在短時間內(nèi)達到催化劑需要的高溫，雖然銅粉和三氧化二鉻都是本實驗的有效催化劑，但是二者的混合催化劑可能具有協(xié)同催化的作用。endprint