化学教学论实验报告 - 氨的催化氧化和喷泉实验

化学教学论实验报告——氨的催化氧化和喷泉实验

化学系2011级化学2班 罗晗 10111550218

一、实验方程式、装置：

1、氨的催化氧化：

2、氨与氧气发生的其他反应： （1） （3）

3、重铬酸铵制备氧化铬催化剂： 4、一氧化氮反应生成硝酸： 5、圆底烧瓶中产生白烟：

6、氨的催化氧化实验装置： 7、氨的喷泉实验装置：

（2）

二、实验注意事项：

1、在氨的催化氧化实验中，首先应该在石棉网上加热铬酸铵固体，使得橘红色的重铬酸铵固体受热分解成为墨绿色的氧化铬，作为本实验的催化剂。在这个步骤中，用酒精灯加热，重铬酸铵受热分解火星四射，固体飞溅，可以用于实验室模拟“火山喷发”情景。

2、氨的催化氧化实验和喷泉实验均是涉及到气体反应的实验，在实验开始之前，务必要检验装置气密性，防止由于装置漏气而影响化学反应的发生或实验现象的观察。

3、在氨的催化氧化实验中，盛装氧化铬是要用玻璃纤维作为支持物来固定氧化铬的位置，氧化铬不能平摊在管中，而是应该堆满管的直径，且长度约为1cm，

因为这样可以增大氧化铬催化剂与氨气、氧气的接触面积，让其反应更加充分，防止氨气和氧气还未反应即从管的上端直接逸出，使得反应不充分，影响氨的催化氧化实验现象的观察。

4、在氨的催化氧化实验中，一共有三个检验实验成功的标志，即：氧化铬催化剂处出现火星，圆底烧瓶中出现红棕色气体以及烧杯中石蕊试液变红色。故而，为了能够充分观察到氧化铬催化剂处出现明亮的火星，在装入氧化铬是不能将其夯得太实，应该让其稍微疏松一些，以便于观察实验现象。

5、在氨的催化氧化实验中，一定要等到氧化铬催化剂处出现了火星才开始鼓入氧气，因为只有氧化铬催化剂被加热到一定的程度后，氨的催化氧化反应才开始进行，此时才鼓入空气，可以防止由于太早鼓入空气，使得浓氨水太早挥发，氨气进入反应管而带来的不必要的浪费。

6、在氨的催化氧化实验中，使用双连球鼓入空气时，应该控制进气速度，以盛放石蕊试液的烧杯中有一个一个的气泡冒出为宜，若鼓入空气的速度太快，则会造成反应不完全，浪费实验试剂；若鼓入空气的速度太慢，又会使反应速率太慢，迟迟不能观察到反应现象。虽然对实验造成的影响不大，但也不可过快或过慢。 7、在氨的催化氧化实验中，氨水的浓度将会对反应速率造成很大的影响，所以在配置氨水时，应该注意浓氨水与蒸馏水的比例，经试验探索发现，当浓氨水与蒸馏水的体积比为1:1.5时，反应速率最快。

8、在氨的喷泉实验中，烧杯中最好能够盛放加热好的热水，因为相较于冷水来说，热水中氨气的溶解度更大，同时，热水可以加速浓氨水的分解，生成更多的氨气，使得实验现象更加明显。

9、在氨的喷泉实验中，常常观察不到喷泉现象，而是只观察到圆底烧瓶中的酚酞溶液的页面不断上升，这是因为烧杯中水的页面太低，使得酚酞溶液上升到球形瓶中所受的压力不够大，没有能够使水快速上升，从而导致难以观察到如喷泉一样的现象。所以，为了避免这样现象的发生，我们应该使烧杯中水的液面高度尽可能的高一些，让酚酞溶液能够受到更大的压力，从而使得液体迅速上升到圆底烧瓶中，以便于观察喷泉的实验现象。

三、实验思考：

1、在氨的催化氧化实验中，为什么催化剂要使用氧化铬？可以用其他催化剂代替它吗？它们又各有什么优缺点？

答：根据文献资料表明，可常用作氨催化氧化的催化剂有如下几种：Pt、Cu、Cr2O3、CoO、Fe2O3、MoO3、MnO2等，其中Pt的催化效果最佳，但价格昂贵，通常在中学实验教学中不采用；其次是Cr2O3，一般来说，这是中学进行该实验的常用催化剂，Cr2O3具有以下性质：绿色粉末，熔点为2708K，刚玉结构，P型半导体，含正离子缺位。资料表明，对于氧化物催化氨氧化，不是催化的导电性质，而是它的非计量的过量氧与活性间存在简单的线性关系，但实验中用Cr2O3做催化剂容易发生爆炸，安全性不高，且Cr2O3的实验废渣对环境污染程度大。资料认为CuO可以代替Cr2O3做氨催化氧化的催化剂，MnO2对该实验也有一定的催化作用。因为具有以下结构和性质：黑褐色粉末，熔点为1273K，P型半导体，含正离子缺位，体相还有过量的氧负离子存在，同时在高温下容易发生反应被氨还原成铜：3CuO+2NH3=3Cu+3H2O+N2，此反应产生的铜可以避免实验发生爆炸，MnO2同样为P型半导体，含正离子缺位，体相还有过量的氧负离子存在，与CuO混合可以提高反应速率。所以用CuO和MnO2取代Cr2O3作催化剂是可行的，它们具有以下优势：CuO和MnO2的矿藏丰富，价格相对低廉；CuO和MnO2对环境的污染比Cr2O3小；在高温下反应生成的Cu可以预防爆炸事故的发生。

2、在氨的催化氧化实验中，氨水的浓度为多少时最有利于实验的顺利进行？ 答：在实验中，调节氨水的浓度分别为体积比氨水：水=1:1或1:1.5或1:2，以氧化铬作为反应的催化剂，记录实验现象为： 氨水：水（体积比） 1：1 1:1.5 1:2 出现棕黄色气体，产生明显的红棕 产生明显的棕黄 实验现象 紫色石蕊试液颜色色气体，紫色石蕊色气体，紫色石蕊偏红 试液颜色变红 试液颜色变红 由上表格的实验现象可以得知，氨水的浓度在氨的催化氧化实验中，起着至关重要的作用，当氨水与蒸馏水的体积比为1:1.5时，产生红棕色气体，即二氧化氮，紫色石蕊试液变红，即产生足够量的硝酸，此时的反应效果最好，实验现象最明显，所以最佳浓度为体积比：浓氨水：蒸馏水=1:1.5。

3、在氨的催化氧化实验中，有哪些地方具有明显的缺陷？应该如何改进？ 答：在原本的氨的催化氧化实验装置中，可以看到红棕色的二氧化氮气体在圆底烧瓶中慢慢生成了，但是同时圆底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改进，在燃烧管和圆底烧瓶中间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。此外，可以用注射器收集70ml的O2后,再收集40ml的NH3,加热(NH4)2Cr2O7得Cr2O3,并放入玻璃管中部，玻璃管中部放适量Cr2O3,并加热该部位,尾气管先通入NaOH溶液,再缓缓推动注器,Cr2O3红热便可移开热源，继续推注射器至反应完全，并关闭通入NaOH溶液的导管,打开通入水的导管,拉注射器活塞,吸入少量水,振荡,再加入紫色石蕊试剂试管中明显地出现红棕色的气体,量多,颜色深，Cr2O3保持红热明显,无白烟产生,因为NH3全部被氧化，加水后,红棕色消失明显。

4、在氨的催化氧化实验中，双连球鼓气的速度对实验现象及结果有何影响？ 答：在氨的催化氧化实验中，在进行探究性实验之前，认为鼓气速度对实验有较大的影响，若鼓气速度过快则空气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；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。查阅文献，文献中通过多次实验，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500mL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。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。

5、氨的喷泉实验的原理是什么？可以推广到哪些气体也可产生喷泉实验？实验时应注意些什么？

答：喷泉实验的基本原理是气体在液体中溶解度很大，在短时间内产生足够的压强，即负压，使得大气压将烧杯内的液体压入烧瓶中，在导管口即会发生喷泉现象。因此，只要是极易溶于液体的气体，且装置密封性良好，就可以发生喷泉实验，此外，还可以通过温度变化等情况形成的压力差，即只要是可以形成压力差，那么就具备发生喷泉现象的条件，如氯化氢气体也是极易溶于水的气体，它也可以像氨气一样形成喷泉实验。在进行喷泉实验时，盛气体的烧瓶必须干燥，否则瓶中有液体，会使瓶口留下空气，形成的喷泉压力不大；并且，气体要盛满烧瓶，而不能发生漏气现象，故而实验前一定要先检验装置气密性；此外，所用的气体一定是能大量溶于所用液体或气体与液体快速反应的，只用这样才能更好地达到产生喷泉的效果。常见的形成喷泉的组合有：（1）常温常压下，氨气、氯化氢、二氧化硫、二氧化氮与水组合形成喷泉；（2）酸性气体与氢氧化钠溶液组合形成

喷泉；（3）有机气体与有机溶剂组合形成喷泉；（4）氧气、氮气、氢气等不溶于水的气体，设计一定的实验条件将其反应掉，也能形成喷泉。

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