绿色微型实验在氨的催化氧化实验中的思考与实践

祁爱儒（甘肃省会宁县第四中学　甘肃会宁　730799）



绿色微型实验在氨的催化氧化实验中的思考与实践

祁爱儒
（甘肃省会宁县第四中学甘肃会宁730799）

摘要：对中学化学教材中氨的催化氧化演示实验进行了重新的审视。从影响实验成功的关键因素、反应物的精选与用量、催化剂的筛选、实验装置的微型化创设、绿色实验操作步骤和现象等内容做了思考与创新，既避免了教材实验中的不足，又体现了实验教学的绿色化价值观。

关键词：绿色；微型；氨气；催化氧化；实验创新

中学化学课本中介绍了氨的催化氧化演示实验，若按课本所述方法进行实验时，因实验现象不够明显，也难以判断反应进行的程度，更重要的是在实验教学过程中难以实现培养学生的绿色价值观的素质教育教学目标。为了克服实验现象的不确定性和有效落实实验教学中素质教育的绿色价值观，根据化学反应原理和绿色微型实验的要求，对本实验从影响实验成功的关键因素、反应物的精选与用量、催化剂的筛选、实验装置的微型化创设、绿色实验操作步骤和现象等内容做了如下的思考与创新。

一、影响实验成功的关键因素

在化学演示实验教学中，往往会遇到实验现象不明显甚至失败的情况。原因何在呢？一般情况不外乎试剂不纯或变质、化学反应条件不适宜、实验操作方法不当、实验仪器装置欠妥等。那么，影响氨催化氧化实验成功的关键因素是什么呢？在现行高中化学教科书中介绍氨的重要性质——氨的催化氧化时，为了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。我们常见到如下的一些装置（图1、图2、图3、图4等）来完成氨的催化氧化的演示实验。

图1　氨的催化氧化装置1

图2　氨的催化氧化装置2

图3　氨的催化氧化装置3

图4　氨的催化氧化装置4

从图中发现，该实验可以采用不同的催化剂，不同的催化剂具有不同的催化性能，因此，不同催化剂的选用是影响本实验的因素之一。一般情况下，催化剂的活性在高温和干燥的条件下最强，因此，在实验过程中催化剂的温度和干燥性也将是影响本实验的因素之一。另外，从图中还发现，实验中所需的氨气和氧气分别是由氨水和空气提供的，根据氨催化氧化过程中所涉及的如下一系列化学反应：

可知：氨水的浓度大小（浓度大，结果产生白烟）和鼓气速度（多鼓气会带入较多水分）也将是影响本实验的因素之一。但是，在上述装置中做实验时，催化剂种类、温度和干燥程度、氨水的浓度、鼓气速度等影响因素中，惟独氨水的浓度难以把握。因为，氨水的浓度受实验时的环境温度、空气湿度、挥发的速度、操作的熟练程度等都有一定的影响，这就造成了老师在演示本实验时，对实验所用氨水的浓度不能把握，这是导致本实验最终能否成功的关键因素所在。那么，怎样才能解决这一难题呢？显然应让其从不可控变可控为抓手，确定反应物及其用量。

二、反应物的精选与用量

我们本着以绿色化理念、易控制、易反应、简单、易操作的实验标准来进行反应物的精选与用量的确定。取室温下（25℃）一定量的浓氨水（密度为0.91 g/mL、质量分数为28%）和一定量的过氧化钠作为反应物来提供氨气和氧气，根据下列反应来确定二者的用量：

即按照1molNH3·H2O∶4mol Na2O2（或按质量比约1∶8.91）的比例取二者反应物的用量，氨气恰好被氧气所氧化生成硝酸，再考虑到氨气在纯氧中燃烧的爆炸极限（13.5%～79%）和实验装置内部少量的空气，若取1g氨水（或约1.1mL氨水），9～10g过氧化钠进行实验，所得氨气与氧气的体积比为48.3%～43.3%，处在爆炸极限范围内，所以，为了从安全角度考虑，所选择的催化剂应注重具有防爆性能的催化剂。

三、催化剂的筛选

在氨的催化氧化实验中，我们常见到的Cr2O3作为该实验的常用催化剂，但是根据资料表明该实验所用催化剂还有好多种：铂（Pt）、铜（Cu）、氧化钴（CoO）、氧化铁（Fe2O3）、氧化钼（MoO3）、二氧化锰（MnO2）等。从它们的价格（铂昂贵）、爆炸性（Cr2O3）、实验效果不理想（Cu）、实验前的预处理程序（Fe2O3、CoO）、毒性（Cr2O3）、环境污染（Cr2O3）、防爆性能（Cu）等方面考虑，应找到一种高效、安全、廉价、污染小的催化剂。

查找资料表明，氧化铜可以代替Cr2O3做氨催化氧化的催化剂，属于P型半导体，含正离子缺位，且在高温下易被氨还原成铜：3CuO+2NH3=3Cu+3H2O+N2，此反应产生的铜又可避免实验发生爆炸。而MnO2同样也是P型半导体，含正离子缺位，与CuO混合可以提高反应速率。

从上述资料信息不难发现，用CuO和MnO2取代Cr2O3作催化剂是有效可行的。这种混合催化剂符合价格相对低廉、污染相对小（比Cr2O3污染小）、防爆（产生的铜可预防爆炸的发生）。

四、实验装置的微型化创新

根据上述思考，氧气由浓氨水中的水与过氧化钠反应来提供，而其反应产生的热量可用来升高浓氨水的温度，加速浓氨水分解来提供氨气，催化剂为固体物质。故可创设如下装置（固定支架略去）：

图5　微型化装置

该实验装置集氧气、氨气的产生于一具支小试管中，集现象、尾气处理于一干燥器中，装置凸显了绿色化、微型化、简单化和操作简易化。干燥管中设计了一高一低的两个进气管，有利于一氧化氮与空气在低温区充分反应生成二氧化氮而观察到明显的实验现象。

五、绿色实验操作步骤和现象

（1）按图示装置连接各实验仪器，并在相关仪器中加入相应的适量药品（或试剂）（注：①实验装置气密性良好；②实验中所加药品（或试剂）都恰好满足实验用量）。

（2）先用酒精灯预热催化剂3分钟左右。

（3）然后移开酒精灯，并同时向里推注射器1的活塞，瞬间可看到催化剂明显发红，当注射器1中的反应停止时，催化剂未见发红。说明氨的催化氧化是一个放热反应，放出的热量使催化剂发红。

（4）当催化剂不发红和干燥管内壁出现水雾时，然后挤压一次双连球（注：气阀在挤压双连球时，自动和外界关闭，放开双连球时自动和外界相连通），随即在干燥管中出现了红棕色气体。这说明在前面的反应中产生了H2O和无色气体NO，而NO在低温下能被O2氧化为红棕色的NO2气体，即发生了反应：2NO+O2

（5）慢慢向里推注射器2的活塞，向红棕色气体中喷洒少量稀氨水，可看到红棕色消失，即刻产生了白烟。说明NO2遇水生成了HNO3，HNO3又立即与NH3作用，生成了NH4NO3白烟。发生的反应有：3 NO2+H2O=2HNO3+NO，HNO3+NH3=NH4NO3。

六、实验结果评价

在上述实验过程中证明了前面原理论证的正确性，取约1.1mL氨水（密度为0.91 g/mL、质量分数为28%）与9g或10g过氧化钠进行实验，可以确保产生的氧气和氨气比较完全反应，避免对后续实验现象的干扰；干燥剂氯化钙吸收浓氨水分解产生的水，确保参与反应的氨气与氧气量的相对恒稳；用玻璃纤维和混合催化剂（氧化铜与二氧化锰）既保证了气体的充分接触与反应，又确保了气体畅通无阻的通过，也强化了催化剂的催化作用和保障了实验过程的安全性；在干燥管中，由于两进气管口位置的高低搭配，既增强了实验现象的明显程度，又渗透了HNO3和NH4NO3的生成过程，实验具有连续性，并营造出绿色氛围。该实验不但在大胆创设中实现了教学目标，而且为学生创造了一个很大的思维空间，开拓了学生的思维，提高了学生的创新能力及综合素质，更重要的是在教学过程中培养了学生的绿色价值观。

参考文献

［1］孙志宽.中学化学实验教学研究［M］.杭州：杭州大学出版社，1992：140-147

［2］甑开吉，王国甲等.催化作用基础［M］.北京：科学出版社，2004：1991-1994

［3］北京师范大学，华中师范大学，南京师范大学.无机化学（下册）［M］.北京：高等教育出版社，2003：705-740

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.03.033

文章编号：1008-0546（2016）03-0090-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B