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

Study on experiments of Ammonia oxidation

Ye Xiao-jing Instructs:Zhang Wan-jia

(Department of Chemistry,Shangrao Normal University,JiangXi Shangrao334001)

Abstract

This paper demonstrates sophomore materials ammonia oxidation experiments carried out exploration in theory expounded catalyst on the catalytic oxidation of ammonia,and the experiment is improved.Obviously the whole phenomenon of the experiment,easy to operate,the cost of cheap, pollution reduction,could help students to ammonia oxidation awareness and understanding of this reaction,but also solve the difficult years of high school chemistry teachers in the successful implementation of this demonstration experiment of the problem.

Keywords

Ammonia oxidation;copper oxide catalyst;experimental exploration

目录

中文摘要...................................................英文摘要...................................................绪论 (1)

1.对氨催化氧化原理及条件的研究 (1)

1.1对氨催化氧化反应机理的研究 (1)

1.2对氨催化氧化催化剂的研究院 (2)

2.实验分析和装置的改进 (2)

2.1对图-1装置的实验分析 (2)

2.2实验装置的改进 (3)

3.工作任务 (3)

4.实验部分 (3)

4.1仪器与试剂 (3)

4.2实验过程 (4)

5.实验结果 (5)

致谢 (5)

参考资料 (5)

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.

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[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：