化学教学论实验报告氨的催化氧化和喷泉实验文档.pdf

第 1 页 共 4 页 催化剂 催化剂 催化剂 化学实验教学研究实验报告 实验项目“氨的催化氧化”实验设计与研究 实验日期 星期 上午 下午 晚上 姓 名 学号 同组人 台号 实验目的：（1）通过氨的催化氧化实验装置的设计，进一步培养根据化学原理和客观条件自行设计和安装实验装置的能力。（2）通过查阅文献及对本实验的探究过程进一步强化收集和处理信息、分析和归纳问题的能力，提高实验操作技能。（3）探讨本实验成功的条件、关键和技术操作。（4）增强绿色环保知识。实验教学目标：知识与技能：了解氨的催化氧化的反应原理；了解工业上制备硝酸的反应原理。过程与方法：通过教师演示实验的方法，引导学生对实验现象的观察，从而提高学生的探究能力、创新意识和改进实验的能力。情感态度与价值观：通过观察二氧化氮的红棕色现象，让学生体会化学的颜色之美；通过对二氧化氮有毒气体的尾气处理，倡导绿色化学的理念，增强学生的环保意识。实验原理：一、实验中主要的反应：4NH3 5O24NO 6H2O Q2NO O22NO2 Q3NO2 H2O 2HNO3 NO QNH3 HNO3 NH4NO3二、实验中可能出现的反应：4NH3 4O22N2O6H2O4NH3 3O22N2 6H2O实验设计（或改进）思路：1、为使氨气和氧气能够同时参与反应，使用双连打气球往氨水溶液中鼓气。2、为确保反应气体充分地与催化剂接触以提高转化率，考虑到催化剂活性温度较高需要加热，本实验采用耐高温的双通管盛装催化剂，也能增强气体的流通性。3、为了更好地观察生成NO2的红棕色，在选用实验仪器时应尽量使用直径较大的容器（如平底烧瓶），也可以对收集装置加白色背衬。4、本实验将产生有毒性气体，为避免对环境的污染，使用 NaOH 溶液对反应产物进行尾气处理。5、当观察到催化剂前端明显红热、洗气瓶里有棕红色气体生成时，表明实验成功。6、影响本实验的主要因素有：实验装置（干燥程度、气密性）、催化剂种类、催化剂温度及干燥程度、氨水浓度、鼓气频率与时机等，其中最为关键的因素是氨水的浓度。本实验主要探究氨水的浓度以及催化剂种类活性对实验结果的影响。（1）氨水浓度的探究：固定条件：三芯酒精灯（温度控制一定）；粗硬质双通玻璃管（活化温度保持、利于反应气体流通）；氨水总体积为 50mL；鼓气频率。探究内容：氨水浓度以 V（氨水）：V（水）=1:1为中间点 化学教学论实验报告氨的催化氧化和喷泉实验第 2 页 共 4 页（2）催化剂活性探究：固定条件：三芯酒精灯；粗硬质双通玻璃管；最佳氨水浓度；氨水总体积为 50mL；鼓气频率。探究内容：催化剂的种类（Cr2O3、Fe2O3、CuO）实验研究的主要内容：（1）氨的催化氧化演示实验方法和装置的设计。（2）该实验最佳条件的探究：氨水浓度的探究；催化剂活性探究。实验研究方案及实验记录 一、实验操作步骤：实验装置的选取与组装 装置气密性检测 V（氨水）：V（水）=1:1 V（氨水）：V（水）=1:2 V（氨水）：V（水）=2:3 Cr2O3作催化剂确立最优氨水浓度 Fe2O3作催化剂观察记录实验现象 观察记录实验现象 确立最佳催化剂 CuO 作催化剂 第 3 页 共 4 页 二、实验装置图：三、实验设计方案：（1）实验仪器：250 ml大烧杯（1个）、洗气瓶（3个）、双连打气球、铁架台（铁甲、铁圈）、50mL 量筒、电子秤、三芯酒精灯、橡胶管、玻璃棒、粗硬质双通玻璃管，直角导管，铁丝、蒸发皿、坩埚钳；（2）实验药品：浓氨水、蒸馏水、玻璃棉、NaOH 固体、Fe2O3、CuO、(NH4)2Cr2O7。（3）实施方案：取 NaOH 固体配置 1 mol/L NaOH 溶液待用，取适量(NH4)2Cr2O7于烧杯，用灼热的玻璃棒与之接触直至其变为墨绿色的Cr2O3，将 Cr2O3装入已有玻璃棉和铁丝定位的硬质玻璃管，催化剂大约 3cm 左右，加热催化剂3min 后开始按照一定的频率鼓入氨气（V（氨水）：V（水）分别按 1:1、2:1、2:3进行配制），观察实验现象。四、实验数据记录：（1）最佳氨水的浓度的探究（Cr2O3作催化剂）序号 V（氨水）：V（水）预热时间 实验现象 催化剂 红热状况 白烟 红棕色气体 水雾 备注 1 1:1 3min+催化剂红热状态及气体的红棕色明显，白烟较少说明氨水浓度比较适宜。2 2:1+催化剂红热，有较多的白烟产生，也出现红棕色气体，说明此时的氨水浓度偏大，挥发出的氨气过量。3 2:3+-+催化剂红热状态及气体的红棕色不明显，没有产生白烟，说明氨水浓度偏低，挥发出的氨气量不足。结论 由实验现象可得当 V（氨）：V（水）=1:1时实验效果最佳，在该条件下催化剂红热程度明显，在短时间内就能观察到有明显的红棕色气体生成，且未产生大量白烟。螺旋状铁丝 玻璃棉 三芯灯 氨水 双连打气球 NaOH 溶液 催化剂 第 4 页 共 4 页（2）催化剂活性探究（V（氨水）：V（水）=1:1）序号 催化剂 种类 预热 时间 实验现象 催化剂 红热状况 白烟 红棕色气体 水雾 备注 1 Cr2O3 3min+催化剂红热状态及气体的红棕色较为明显，且未产生大量白烟，说明 Cr2O3的效果较好。2 Fe2O3 4min+催化剂出现红热状态及气体的红棕色效果一般，说明催化剂的催化效果一般。3 CuO 5min+催化剂的红热状态不明显，红棕色气体较少，说明该温度下CuO 的催化效果较不理想。结论 由实验现象可得选用 Cr2O3时实验效果最佳，在该条件下红热程度明显，在短时间内就能观察到有明显的红棕色气体生成。Fe2O3催化效果一般，CuO 催化效果不理想。五、实验结论：（1）最佳氨水浓度为 V（氨水）：V（水）=1:1；（2）最佳催化剂种类为 Cr2O3。六、实验注意事项：（1）整个装置要求气密性好，且所有的仪器实验前必须进行干燥。（2）实验需要高温，实验中在对双通管进行拆除时应握住两端，防止烫伤。（3）注意催化剂的填装：催化剂在双通管中应填充 3cm 左右的长度，不能留有间歇，且松紧适度，不能过松或过紧。（4）控制鼓气的时机和频率，防止催化剂在鼓气时吹跑。（5）氨气具有强烈的刺激性气味，同时实验过程中生成的二氧化氮气体有毒，应尽量避免吸入和排到空气中，实验应在通风条件下进行，并用碱进行中和吸收。问题与讨论：（1）哪些情况下会产生白烟？在实验中如何避免白烟的产生？答：产生的白烟实质上为 NH4NO3，由于反应生成了红棕色的 NO2气体，NO2溶于水形成 HNO3，若反应气体中NH3的含量过大，则 HNO3与 NH3反应将生成 NH4NO3，即所谓的白烟现象。为避免白烟的产生，一方面可以通过减少氨水浓度或降低鼓气频率来减少 NH3的含量，另一方面也可以通过干燥洗气瓶来减少 HNO3的生成。（2）通过观察，哪些现象说明氨水的浓度过高或过低？答：氨水浓度过高现象：催化剂前端红热现象明显，红棕色气体不明显，有大量白烟生成；氨水浓度过低现象：催化剂前端红热现象不明显，红棕色气体不明显。（3）实验时除了氨水的浓度和催化剂对实验结果有较大的影响外，鼓气的时机和频率也是本实验成功的关键，试分析鼓气的频率过快或过慢对实验结果会产生怎样的影响。答：鼓气频率过快时，NH3的浓度过大时会产生白烟，不利于红棕色气体的观察；鼓气频率过慢时，NH3的浓度较低，催化剂前端红热现象不明显，可能观测不到红棕色气体。参考文献：1 刘秀娟,王歌云.探索性实验教学设计:氨的催化氧化 J.江西教育学院学报（综合）,2010,(31).2 张婉佳,李燕红,曾庆旺.氨催化氧化演示实验的探究 J.化学教育,2012,10:62-64.3 党育红,郭毅,刘建中.再议氨的催化氧化实验 J.教育与装备研究,1993(5):11-12.