氨催化氧化完成

上饶师范学院毕业论文题目:氨催化氧化实验的探究姓名:叶晓晶学号:06030243系别:化学化工学院专业:化学班级:2006级（2）班指导教师:张婉佳二○一○年五月氨催化氧化实验的探究叶晓晶指导老师：张婉佳(上饶师范学院化学化工学院江西上饶334001)摘要本文对高二教材氨催化氧化演示实验进行了探究，从理论上阐述了不同催化剂对氨氧化的催化作用，并对实验进行了改进。使整个实验过程现象明显，操作方便，成本廉价，污染减少，有利于学生对氨催化氧化这一反应的认识和理解，也解决了多年来中学化学教师难以顺利进行这一演示实验的问题。关键词氨水氧化；氧化铜催化；实验探究StudyonexperimentsofAmmoniaoxidationYeXiao-jingInstructs:ZhangWan-jia(DepartmentofChemistry,ShangraoNormalUniversity,JiangXiShangrao334001)AbstractThispaperdemonstratessophomorematerialsammoniaoxidationexperimentscarriedoutexplorationintheoryexpoundedcatalystonthecatalyticoxidationofammonia,andtheexperimentisimproved.Obviouslythewholephenomenonoftheexperiment,easytooperate,thecostofcheap,pollutionreduction,couldhelpstudentstoammoniaoxidationawarenessandunderstandingofthisreaction,butalsosolvethedifficultyearsofhighschoolchemistryteachersinthesuccessfulimplementationofthisdemonstrationexperimentoftheproblem.KeywordsAmmoniaoxidation;copperoxidecatalyst;experimentalexploration目录中文摘要...................................................英文摘要...................................................绪论......................................................11.对氨催化氧化原理及条件的研究...........................11.1对氨催化氧化反应机理的研究............................11.2对氨催化氧化催化剂的研究院............................22.实验分析和装置的改进....................................22.1对图-1装置的实验分析.................................22.2实验装置的改进........................................33.工作任务................................................34.实验部分................................................34.1仪器与试剂............................................34.2实验过程..............................................45.实验结果................................................5致谢......................................................5参考资料..................................................51绪论氨的催化氧化是工业制取硝酸的重要化学反应，也是现行高中化学教科书中介绍氨性质的重要内容，为了在课堂中演示这一化学反应。常用如图-1所示装置：图-1教材编排此实验的目的是引导学生对该实验现象的观察、探究氨催化氧化原理，从而理解氨催化氧化的性质。但长期以来中学化学教师按此实验的装置操作均不能得到很好的实验效果，在集气瓶中难以形成明显的红棕色气体，而是产生大量白烟。使化学教师难以启迪学生从直观感知中理解氨的这一性质。为了解决中学化学教师面临的这一问题，本人对该实验的反应原理、反应条件、反应装置以及操作过程予以了探究，得到了满意的实验效果，可帮助中学教师顺利完成这一实验，充分发挥该实验的教学功能。具体的过程与结果如下所述:1对氨催化氧化原理即条件的研究：按照课本所述的方法为什么不能得到预期的实验效果呢?我们首先对该反应的机理及催化剂进行了理论研究。1.1对氨催化氧化原理及条件的研究：NH3的水溶液叫氨水，通常情况下氨水无色，有刺激性气味。在氨催化氧化的过程中，涉及一系列的化学反应[1]：（2）2NO+O2==2NO2(红棕色气体)（3）3NO2+H2O==2HNO3+NO(酸性反应)（4）NH3+HNO3==NH4NO3(生产白烟)从实验的反应中可以看出催化剂对该反应的重要性，那么采用哪种催化剂能使反应顺利进行呢？1.2对氨催化氧化反应中催化剂种类的探究根据文献资料表明，可常用作氨催化氧化的催化剂有如下几种：Pt.Cu.Cr2O3.2CoO.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[2]。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。所以找出一种既高效、安全，又廉价的催化剂来代替Cr2O3做催化剂，不仅可降低实验成本，保证实验安全，还可以减轻实验对环境的污染。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[2]。同时在高温下易被氨还原成铜：3CuO+2NH3=3Cu+3H2O+N2，此反应产生的铜可以避免实验发生爆炸[4]，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。从上面信息我们不难发现，用CuO和MnO2取代Cr2O3作催化剂是可行的。因为它们具有以下优势：（1）CuO和MnO2的矿藏丰富，价格相对低廉；（市场价格：氧化铜450元/吨；三氧化二铬26000元/吨）（2）CuO和MnO2对环境的污染比小Cr2O3；（3）在高温下反应生成的Cu可以预防爆炸事故的发生。根据以上分析，本人着手从改变催化剂，改进实验装置这两个方面进行了实验探究。2实验装置分析和改进。2.1对图-1实验装置的分析。按图-1所示实验，以Cr2O3做催化剂。用酒精灯加热2min后，用气唧以1次/秒的速度吹气，结果集气瓶中出现大量的白烟，掩盖了少量的红棕色气体，白烟为NH4NO3，是中学教师实验不能成功的主要原因[5]。其次在集气装置中，由于气体向上行走更容易，所以NO还未来得及余O2反应形成NO2就被排出集气瓶，影响红棕色气体的生成，若集气瓶倒置又不容易固定，同时整个反应装置开放度过大，产生的NO2会排放到空气中，NO2是有毒气体，会污染空气。为了解决这些问题，我将装置进行以下改进。2.2实验装置的改进根据上述分析结果，本人进行了反复实验，采用了下述装置，可使实验过程更为科学和方便。改进后的实验装置如图-2所示：3图-2此装置的优点在于：（1）可以抑制白烟的生成，因为CaCl2固体起干燥作用，吸收了反应产生的水蒸气，阻止了3NO2+H2O=2HNO3+NONH3+HNO3=NH4NO3[6]反应的发生；（2）将集气瓶改为圆底烧瓶，因为圆底烧瓶向上固定方便，且玻璃壁较薄较透，就更易于在圆底烧瓶中看到明显的红棕色气体且圆底烧瓶中进气管短，出气管长，可使NO在瓶中滞留时间较长，部分与O2反应产生NO2；（3）在装置的后面加入NaOH溶液吸收装置，减少污染空气。现在我们看到的实验装置能更成功地向学生展示整个实验过程和实验现象，让学生了解氨催化氧化的化学原理。3工作任务根据本实验的教学功能，要求在短时间内看到棕黄色气体的产生，紫色石蕊试剂变红。所以实验任务如下：（1）组装改进后的新实验装置；（2）研究CuO和MnO2混合的最佳质量比及较合理的氨水浓度；（3）探究该实验演示的最佳操作方案。4实验部分4.1仪器与试剂仪器：气唧，锥形瓶，圆底烧瓶，烧杯，硬质双通管，双孔塞，单孔塞，玻璃管，胶管，玻璃纤维，酒精灯，托盘天平，火柴，温度计，干燥器等。试剂：氨水，水，CuO，MnO2，CaCl2固体，紫色石蕊等。4.2实验过程（1）取CuO和MnO2相混合，与适量的玻璃纤维混合成团状（以增加催化剂与氨接触面）；（2）装于硬质双通管，两端填上玻璃纤维，以防被气体吹走；（3）在锥形瓶瓶中加入一定浓度的氨水,导管插入液面约1cm,塞上塞子,以防氨气4挥发；（4）在另一锥形瓶中加入紫色石蕊试剂,用来检测NO2与H2O生成的硝酸；（5）在烧瓶中加入约50mlNaOH溶液,用来吸收尾气，减少对空气污染。(6)如图-2所示安装,实验时用酒精灯给催化剂加热5min后，撤去酒精灯，鼓动气唧以1次/秒通入空气。通过以上实验过程，我们采用了不同的氨水浓度和催化剂成分探究实验的现象记录如下表-1：（室温15oC）表-1氨水：水（1:1）氨水：水（1：1.5）氨水：水（1：2）CuO1g出现淡黄色气体紫色石蕊基本不变红出现黄色气体紫色石蕊颜色变浅出现黄色气体紫色石蕊颜色变浅CuO1gMnO20.5g出现黄色气体紫色石蕊颜色变浅出现棕黄色气体紫色石蕊偏红出现棕黄色气体紫色石蕊偏红CuO1.5gMnO20.5g出现棕黄色气体紫色石蕊偏红产生明显的红棕色气体紫色石蕊颜色变红产生明显的棕黄色气体紫色石蕊颜色变红通过实验我们得到以下信息：（1）氨水的最佳浓度为氨水：水=1：1.5（体积比）；（2）催化剂的最佳混合比例为CuO1.5g；MnO20.5g；(3)唧气的最佳速度为1次/秒；(4）加热的时间为5min,玻璃纤维的长度约为0.5cm。在上述实验条件下，我们可以看到催化剂红热,圆底烧瓶中出现红棕色气体，锥形瓶中的紫色石蕊变红。氨水浓度现象催化剂55实验结果本实验探究非常成功，研究的结果与原来比较有以下长处：(1)演示方便,现象明显,易于观察。且成功率高,耗时短，整个实验过程连续进行一般不超7min,适合课堂演示。(2)配有尾气吸收装置,可防止反应产生的NO2气体污染空气,增强学生的环保意识。(3)实验所用的氨水的浓度比Cr2O3催化时要低，可有效降低实验成本；且有利于实验安全，不易发生爆炸。(4)实验装置中添加的干燥剂有效的防止了白烟的产生，保证了NO2的保留而呈现明显的红棕色。本实验改进后，操作方便，现象明显，可以帮助学生更好地理解氨催化氧化的原理，为书写化学方程式提供有力的证据。本实验研究的成果可以作为中学化学教师进行相关实验准备的重要参考资料。致谢本文是在导师张婉佳副教授的悉心指导下完成的。从论文的选题，文献查询，开题以及论文研究的每个细节导师都尽心尽力倾注了极大的心血。在论文定稿之际，请允许我向指导老师张老师表示敬意