二氧化氮不能用浓硫酸干燥的实验探讨

二氧化氮不能用浓硫酸干燥的实验探讨
作者：吴正帅任志斌
来源：《中小学实验与装备》 2017年第4期
１问题的提出
干燥剂是一种吸收潮气的除水剂,能通过物理方式将水分子吸附在自身结构中,或通过化学方式吸收水分子并改变自身化学结构生成另一种物质.中学化学教材中的干燥剂种类繁多,而这些常见干燥剂中又以浓硫酸出现的频次居多.可见,在中学化学教学中将浓硫酸用作物质干燥剂的现象十分普遍.一般来说,浓硫酸能干燥酸性气体、中性气体.近年来,NO２气体用浓硫酸干燥的有关实验、习题在各种教学用书中屡见不鲜.在实验室制取NO２气体时,究竟能否用浓硫酸来干燥呢?
２实验探究
２．１实验１
２．１．１实验仪器与药品
铁架台、铁夹(万能夹)、橡胶塞(带玻璃导管)、乳胶管、大试管、长颈漏斗、气体洗瓶、烧杯、普通漏斗、导管、铜片、浓硝酸、浓硫酸(９８％)、氢氧化钠溶液.
２．１．２实验装置
实验装置如图１所示.
２．１．３实验步骤
(１)按装置图连接好实验仪器,检查整套装置的气密性.大试管和长颈漏斗中分别装入铜片以及浓硝酸;气体洗瓶中加入浓硫酸;烧杯中加入氢氧化钠溶液.
(２)旋转分液漏斗活塞滴加入浓硝酸,浓硝酸与铜片接触后立即产生大量气泡.控制气流缓慢地通入到盛有大约２００mL 体积的浓硫酸的洗气瓶中,将产生的尾气再通入到盛有NaOH 溶液的烧杯中进行尾气吸收处理,防止其污染空气.
２．１．４几点说明
(１)要控制好二氧化氮气流的大小,以保证其被绝对吸收.
(２)所用试剂要纯,浓硫酸纯度要达到９８％,浓硝酸纯度要达到６３％.(３)保证装置气密性良好,不能漏气.
(４)为防止气体向外逸出,污染空气,尾气处理必须彻底.
２．１．５实验现象
实验开始时,红棕色的NO２气流经过浓硫酸时,全部被吸收,没有气体逸出.浓硫酸在短时间内吸收了NO２气体后,无色透明的浓硫酸无颜色变化,大约经过２min,吸收了更多的NO２气体后浓硫酸才显浅红棕色;继续通入NO２气体,浓硫酸混合溶液的颜色逐渐加深.在浅红色的浓硫酸混合溶液中加入一小块铜片,可观察到铜片溶解.再把吸收了NO２气体的浅红棕色浓硫酸混合溶液在酒精灯上加热,混合溶液还没有达到沸腾以前,就有大量被浓硫酸溶解的NO２气体向外溢出.
２．１．６实验结论
实验证实NO２能够溶于浓硫酸,不可用浓硫酸干燥NO２.
２．２实验２
２．２．１实验仪器与药品
铁架台、铁夹(万能夹)、橡胶塞(带玻璃导管)、乳胶管、导管、大试管、集气瓶、烧杯、普通漏斗、注射器、铜片、浓硝酸、浓硫酸(９８％)、氢氧化钠溶液.
２．２．２实验装置
实验装置如图２所示.
２．２．３实验步骤及现象
(１)按装置图连接好实验仪器,检查整套装置的气密性.大试管和长颈漏斗中分别装入铜片以及浓硝酸;注射器中加入浓硫酸约为２０mL;烧杯中加入氢氧化钠溶液.
(２)旋转分漏漏斗活塞入浓硝酸,浓硝酸与铜片接触后立即产生大量红棕色气体.控制气流,将气体缓慢地通入到集气瓶中,等集气瓶中充满红棕色气体后,将注射器中的２０mL浓硫酸注入到集气瓶中,气体的红棕色迅速消失,浓硫酸混合溶液变成浅红棕色的气体,随着二氧化氮气体量的增加,无色透明浓硫酸混合溶液变成红棕色透明液体.最后将产生的尾气再通入到盛有NaOH 溶液的烧杯中进行尾气吸收处理,防止污染空气.
２．２．４实验结论
NO２能够溶于浓硫酸,不可用浓硫酸干燥NO２.
３实验分析
实验证明浓硫酸不能用来干燥二氧化氮气体.在通常情况下NO２和N２O４是一种混合物,不可能有纯净的NO２气体,NO２和N２O４的混合物之所以能被浓硫酸强烈吸收,主要是由于以下几个方面的原因.
３．１物理吸收
NO２、NO 和N２O４等以分子的形式溶解在浓硫酸中,如果吸收了比较多的NO２时,使得原本无色透明的浓硫酸呈现明显的浅红棕色.
３．２NO２的化学吸收
二氧化氮与浓硫酸反应生成了亚硝基硫酸(NOHSO４).化学方程式如下:
３NO２＋H２O≒２HNO３＋NO;
２NO２＋H２O≒２HNO３＋HNO２;
HNO２≒２NO↑＋HNO３＋H２O;
NO＋NO２＋２H２SO４(浓)≒２H(NO)SO４(亚硝基硫酸)＋H２O;
N２O３＋２H２SO４(浓)≒２H(NO)SO４(亚硝基硫酸)＋H２O.
说明:亚硝基硫酸在水中、酸中、空气中时会自发地分解出NO 和NO２气体,化学性质不稳定.
３．３N２O４的化学吸收
在室温下,NO２和N２O４以混合物的形式存在,在反应平衡时,K＝１７０,N２O４的含量比NO２高.将NO２充入到浓硫酸中,浓硫酸中含有水,水能与N２O４发生发应.化学方程式如下:
３N２O４＋２H２O≒４HNO３＋２NO;
NO＋NO２＋H２O≒２HNO３;
N２O３＋H２O≒２HNO２.
４结论
通过实验证明以及理论分析,NO２、NO 和N２O４等以分子和浓硫酸可以发生物理吸收、化学反应,因此不能用来浓硫酸干燥NO２气体.
收稿日期:２０１７－０５－１７。