合成氨反应

合成氨反应

华师大

姓名：

学号：

一、实验目的

1.初步掌握演示“合成氨”实验的成败关键和操作技能。

2.探讨、研究提高该试验成功率和演示效果的具体方法。

二、有关反应

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2✁

NH4Cl + NaNO2 = NaCl + 2H2O + N2✁

3H2 + N2 = 2NH3

三、实验用品

铁架台（附铁夹）、Y形管、附导管橡皮塞、反应管、直角导管、橡皮管、烧杯、酒精灯、锥形瓶、研钵、镊子、角匙。

锌粒、亚硝酸钠、饱和氯化铵、1:4稀硫酸、石棉、铁粉、酚酞。

四、实验准备

1.本实验模拟工业制法，采用氮气和氢气在加热、催化剂作用下制取氨气，两者的制取原理如上。由于需要制取两种反应物，且均为固液混合，因此我们采用Y 形管作为反应容器。观察可发现管的一侧有一个玻璃刺斜插在管内，分析可知，锌粒颗粒较大，可以卡在这根刺上面，而亚硝酸钠为小颗粒晶体，故这一侧我们加入锌粒和稀硫酸以制取氢气。另一侧加入氯化铵溶液及亚硝酸钠，这样避免使反应物提前混合，生成NO2。

2.本实验反应物的选取。

①氢气的制取通常采用强酸和金属的反应，而常见的强酸如：硝酸，氧化性太强，与锌粒反应会生成氮氧化物。稀盐酸，由于盐酸具有挥发性，因此实验制取的氢

气中会含有氯化氢气体，而且由于氯离子的体积很小，容易穿透于各个分子之间，可以加快反应的速率，而本实验并不需要太快，因为若氢气产生的速率过快，可能不能和氮气完全反应，而从终端溢出，而试验中加热是有明火的，具有一定的危险性。另外，会发出的氯化氢气体可能进入到Y型管另一端发生副反应，因此我们使用高沸点难挥发的硫酸作为制取氢气的反应物。

②虽然空气中有巨量的氮气，但将其提纯利用很难，所以我们采用氯化铵饱和溶液和亚硝酸钠<淡黄色颗粒状固体>来制取氮气。由于亚硝酸盐致癌，因此在实验时应格外小心，避免直接与人体接触。查阅资料可知，亚硝酸盐使人中毒的机理为：亚硝酸盐能使血液中正常携氧的低铁血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，因而失去携氧能力而引起组织缺氧。亚硝酸盐是剧毒物质，成人摄入0.2一0.5克即可引起中毒，3克即可致死。亚硝酸盐同时还是一种致癌物质，食道癌与患者摄入的亚硝酸盐量呈正相关性，亚硝酸盐的致瘤机理是:在胃酸等环境下亚硝酸盐与食物中的仲胺、叔胺和酰胺等反应生成强致癌物N一亚硝胺。亚硝胺还能够透过胎盘进入胎儿体内，对胎儿有致畸作用。

4.由于没有高压的环境，而且加热的温度也不能保证，所以要选去合适的催化剂。活化的铁粉就可以作为本实验的催化剂。由于气流的流速过快，且密度均小于空气，使得与原本平铺在试管中的催化剂接触的时间过短，因此增大接触面积是提高催化效率的一个很好的方法。老师教授的方法：在反应管的一端塞进石棉，从另一端加入铁粉，使其均匀的铺在石棉上，全部充满试管面上，构成一个圆面，然后从另一侧用石棉塞住，使铁粉“悬空”与气体充分接触。

5.查阅资料可知铁作为催化剂的机理是:首先是氮分子在铁催化剂表面上进行化学吸附，使氮原子间的化学键减弱。接着是化学吸附的氢原子不断地跟表面上的氮分子作用，在催化剂表面上逐步生成—NH、—NH2和NH3，最后氨分子在表面上脱吸而生成气态的氨。上述反应途径可简单地表示为：

xFe+N2→Fe x N

Fe x N+[H]吸→Fe x NH

Fe x NH+[H]吸→Fe x NH2

Fe x NH2+[H]吸Fe x NH3+Fe+NH3

在无催化剂时，氨的合成反应的活化能很高，大约335kJ/mol。加入铁催化剂后，

反应以生成氮化物和氮氢化物两个阶段进行。第一阶段的反应活化能为

126kJ/mol～167kJ/mol，第二阶段的反应活化能为13kJ/mol。由于反应途径的改变（生成不稳定的中间化合物），降低了反应的活化能，因而反应速率加快了。

五、实验过程及现象

实验装置如右图：

1.加料顺序为，锌粒、亚硝酸钠、

稀硫酸、氯化铵（后两个顺序不限）

溶液。依次加料后并给制取氮气一

端加热，反应过程中要时刻关注此

试管，避免反应过于剧烈而溢出与

另一试管中的溶液接触，若接触会

产生红棕色的气体，二氧化氮，反

应及宣告失败（如发生此类情况，

应迅速用冷水冲洗，将生成的NO2转化成硝酸）。如果反应过于剧烈，则迅速用一小烧杯冷水降温，降低反应速率（本实验并未用到，气体逸出速率适中）。2.反应时，两Y形试管均出现大量的气泡，加热试管后大约2 min后，酚酞试液呈现红色，即证明成功地制取了氨气。

六、实验问题讨论

1.什么时候开始加热？

答：首先应排净反应管中的空气，以免与催化剂铁粉反应，在通气一段时间后即可加热。

2.反应开始的条件

答：由于本次反应是通过使用催化剂来代替高温高压条件的，因此，达到催化剂的最适活化温度为实验开始的条件，铁的活化温度为500，调整酒精灯的温度稳定在此温度即可使反应发生，本次实验，我们小组温度控制较好，故最先完成了

这个实验。

3.为何两溶液混合会产生红棕色气体？

答：亚硝酸钠遇到稀硫酸时会产生亚硝酸，亚硝酸受热会分解产生N2O3,N2O3又会分解为NO2和NO，而NO遇到氧气也会变为红棕色的NO2。反应方程式为：

H+ + NO2- = HNO2

2HNO2 = H2O+NO↑+NO2↑

3HNO2 = HNO3+2NO↑+H2O

NO + O2 = NO2

3.为何水蒸气会出现在反应管上？

答：由于没有通过干燥装置，氮气和氢气会携带出溶液中的水蒸气，冷凝在试管上。

4.反应产生的氨气来源只有有氢气、氮气反应合成的吗？

答：不一定。反应中，NH4NO2水溶液会发生自身氧化还原反应：NH4NO2= NH3+ HNO2，原因是亚硝酸钠是弱酸强碱盐，水解呈碱性（HNO2的Ka = 5.1*10-4）；而氯化铵是强酸弱碱盐，水解呈酸性（Ka=1.8*10-5）。因此两种物质混合后发生双水解反应：NH4+ + NO2- + H2O = NH3·H2O + HNO2

NH3·H2O = NH3 + H2O

因此上述合成氨演示实验中，未经酸液洗涤净化的氮气，就直接与氢气反应合成氨，很难说清是由氮气和氢气合成的氨，还是由副反应生成的氨。

4.提高反应效率的因素？

答：由反应配比可知，氮气和氢气以1:3反应最好，因此控制反应物的量是提高速率的一个好办法。加热到催化剂的最适温度也是方法之一。