綠色微型實驗在氨的催化氧化實驗中的思考與實踐

祁愛儒（甘肅省會寧縣第四中學　甘肅會寧　730799）

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綠色微型實驗在氨的催化氧化實驗中的思考與實踐

祁愛儒
（甘肅省會寧縣第四中學甘肅會寧730799）

摘要：對中學化學教材中氨的催化氧化演示實驗進行了重新的審視。從影響實驗成功的關鍵因素、反應物的精選與用量、催化劑的篩選、實驗裝置的微型化創設、綠色實驗操作步驟和現象等內容做了思考與創新，既避免了教材實驗中的不足，又體現了實驗教學的綠色化價值觀。

關鍵詞：綠色；微型；氨氣；催化氧化；實驗創新

中學化學課本中介紹了氨的催化氧化演示實驗，若按課本所述方法進行實驗時，因實驗現象不夠明顯，也難以判斷反應進行的程度，更重要的是在實驗教學過程中難以實現培養學生的綠色價值觀的素質教育教學目標。為了克服實驗現象的不確定性和有效落實實驗教學中素質教育的綠色價值觀，根據化學反應原理和綠色微型實驗的要求，對本實驗從影響實驗成功的關鍵因素、反應物的精選與用量、催化劑的篩選、實驗裝置的微型化創設、綠色實驗操作步驟和現象等內容做了如下的思考與創新。

一、影響實驗成功的關鍵因素

在化學演示實驗教學中，往往會遇到實驗現象不明顯甚至失敗的情況。原因何在呢？一般情況不外乎試劑不純或變質、化學反應條件不適宜、實驗操作方法不當、實驗儀器裝置欠妥等。那么，影響氨催化氧化實驗成功的關鍵因素是什么呢？在現行高中化學教科書中介紹氨的重要性質——氨的催化氧化時，為了引導學生對該實驗現象的觀察、探究氨催化氧化原理，從而理解氨催化氧化的性質。我們常見到如下的一些裝置（圖1、圖2、圖3、圖4等）來完成氨的催化氧化的演示實驗。

圖1　氨的催化氧化裝置1

圖2　氨的催化氧化裝置2

圖3　氨的催化氧化裝置3

圖4　氨的催化氧化裝置4

從圖中發現，該實驗可以采用不同的催化劑，不同的催化劑具有不同的催化性能，因此，不同催化劑的選用是影響本實驗的因素之一。一般情況下，催化劑的活性在高溫和干燥的條件下最強，因此，在實驗過程中催化劑的溫度和干燥性也將是影響本實驗的因素之一。另外，從圖中還發現，實驗中所需的氨氣和氧氣分別是由氨水和空氣提供的，根據氨催化氧化過程中所涉及的如下一系列化學反應：

可知：氨水的濃度大小（濃度大，結果產生白煙）和鼓氣速度（多鼓氣會帶入較多水分）也將是影響本實驗的因素之一。但是，在上述裝置中做實驗時，催化劑種類、溫度和干燥程度、氨水的濃度、鼓氣速度等影響因素中，惟獨氨水的濃度難以把握。因為，氨水的濃度受實驗時的環境溫度、空氣濕度、揮發的速度、操作的熟練程度等都有一定的影響，這就造成了老師在演示本實驗時，對實驗所用氨水的濃度不能把握，這是導致本實驗最終能否成功的關鍵因素所在。那么，怎樣才能解決這一難題呢？顯然應讓其從不可控變可控為抓手，確定反應物及其用量。

二、反應物的精選與用量

我們本著以綠色化理念、易控制、易反應、簡單、易操作的實驗標準來進行反應物的精選與用量的確定。取室溫下（25℃）一定量的濃氨水（密度為0.91 g/mL、質量分數為28%）和一定量的過氧化鈉作為反應物來提供氨氣和氧氣，根據下列反應來確定二者的用量：

即按照1molNH3·H2O∶4mol Na2O2（或按質量比約1∶8.91）的比例取二者反應物的用量，氨氣恰好被氧氣所氧化生成硝酸，再考慮到氨氣在純氧中燃燒的爆炸極限（13.5%～79%）和實驗裝置內部少量的空氣，若取1g氨水（或約1.1mL氨水），9～10g過氧化鈉進行實驗，所得氨氣與氧氣的體積比為48.3%～43.3%，處在爆炸極限范圍內，所以，為了從安全角度考慮，所選擇的催化劑應注重具有防爆性能的催化劑。

三、催化劑的篩選

在氨的催化氧化實驗中，我們常見到的Cr2O3作為該實驗的常用催化劑，但是根據資料表明該實驗所用催化劑還有好多種：鉑（Pt）、銅（Cu）、氧化鈷（CoO）、氧化鐵（Fe2O3）、氧化鉬（MoO3）、二氧化錳（MnO2）等。從它們的價格（鉑昂貴）、爆炸性（Cr2O3）、實驗效果不理想（Cu）、實驗前的預處理程序（Fe2O3、CoO）、毒性（Cr2O3）、環境污染（Cr2O3）、防爆性能（Cu）等方面考慮，應找到一種高效、安全、廉價、污染小的催化劑。

查找資料表明，氧化銅可以代替Cr2O3做氨催化氧化的催化劑，屬于P型半導體，含正離子缺位，且在高溫下易被氨還原成銅：3CuO+2NH3=3Cu+3H2O+N2，此反應產生的銅又可避免實驗發生爆炸。而MnO2同樣也是P型半導體，含正離子缺位，與CuO混合可以提高反應速率。

從上述資料信息不難發現，用CuO和MnO2取代Cr2O3作催化劑是有效可行的。這種混合催化劑符合價格相對低廉、污染相對小（比Cr2O3污染小）、防爆（產生的銅可預防爆炸的發生）。

四、實驗裝置的微型化創新

根據上述思考，氧氣由濃氨水中的水與過氧化鈉反應來提供，而其反應產生的熱量可用來升高濃氨水的溫度，加速濃氨水分解來提供氨氣，催化劑為固體物質。故可創設如下裝置（固定支架略去）：

圖5　微型化裝置

該實驗裝置集氧氣、氨氣的產生于一具支小試管中，集現象、尾氣處理于一干燥器中，裝置凸顯了綠色化、微型化、簡單化和操作簡易化。干燥管中設計了一高一低的兩個進氣管，有利于一氧化氮與空氣在低溫區充分反應生成二氧化氮而觀察到明顯的實驗現象。

五、綠色實驗操作步驟和現象

（1）按圖示裝置連接各實驗儀器，并在相關儀器中加入相應的適量藥品（或試劑）（注：①實驗裝置氣密性良好；②實驗中所加藥品（或試劑）都恰好滿足實驗用量）。

（2）先用酒精燈預熱催化劑3分鐘左右。

（3）然后移開酒精燈，并同時向里推注射器1的活塞，瞬間可看到催化劑明顯發紅，當注射器1中的反應停止時，催化劑未見發紅。說明氨的催化氧化是一個放熱反應，放出的熱量使催化劑發紅。

（4）當催化劑不發紅和干燥管內壁出現水霧時，然后擠壓一次雙連球（注：氣閥在擠壓雙連球時，自動和外界關閉，放開雙連球時自動和外界相連通），隨即在干燥管中出現了紅棕色氣體。這說明在前面的反應中產生了H2O和無色氣體NO，而NO在低溫下能被O2氧化為紅棕色的NO2氣體，即發生了反應：2NO+O2

（5）慢慢向里推注射器2的活塞，向紅棕色氣體中噴灑少量稀氨水，可看到紅棕色消失，即刻產生了白煙。說明NO2遇水生成了HNO3，HNO3又立即與NH3作用，生成了NH4NO3白煙。發生的反應有：3 NO2+H2O=2HNO3+NO，HNO3+NH3=NH4NO3。

六、實驗結果評價

在上述實驗過程中證明了前面原理論證的正確性，取約1.1mL氨水（密度為0.91 g/mL、質量分數為28%）與9g或10g過氧化鈉進行實驗，可以確保產生的氧氣和氨氣比較完全反應，避免對后續實驗現象的干擾；干燥劑氯化鈣吸收濃氨水分解產生的水，確保參與反應的氨氣與氧氣量的相對恒穩；用玻璃纖維和混合催化劑（氧化銅與二氧化錳）既保證了氣體的充分接觸與反應，又確保了氣體暢通無阻的通過，也強化了催化劑的催化作用和保障了實驗過程的安全性；在干燥管中，由于兩進氣管口位置的高低搭配，既增強了實驗現象的明顯程度，又滲透了HNO3和NH4NO3的生成過程，實驗具有連續性，并營造出綠色氛圍。該實驗不但在大膽創設中實現了教學目標，而且為學生創造了一個很大的思維空間，開拓了學生的思維，提高了學生的創新能力及綜合素質，更重要的是在教學過程中培養了學生的綠色價值觀。

參考文獻

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doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.03.033

文章編號：1008-0546（2016）03-0090-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B