氨的催化氧化实验方法分析−化学教学指导

从氨催化氧化实验的反应方程式和图3-2的实验装置及实验方法看，反应物氧气由挤入的空气提供，而氨气则是由挤入空气时氨水挥发而来。随着空气的不断挤入，氨水将不断挥发而浓度逐渐减小，并且一定浓度的氨水在不同的环境湿度、温度及挤气速度下，挥发的速度是不同的。所以，在不同的季节、不同的环境状况和不同的人操作时(挤气力度不同)，实验成功所需要的氨水浓度也不一定相同，可见，用图3-2的实验方法有偶然性，实验成功与否有很大的不确定性。可以考虑用铵盐和含氧的固体物质受热分解来产生氨气和氧气。因为固体分解可以定量把握，操作时容易控制实验的进程，也有利于实验装置和实验方法的简化。

(1)反应物的选择和用量分析

在常见的铵盐中，氯化铵分解生成氨气的产率较高，生成的氯化氢可以用其他碱性物质消除，不会干扰实验；用高锰酸钾分解获取氧气比较安全。所以，选择氯化铵和高锰酸钾受热分解来获得氨气和氧气。实验用量可以依据化学反应方程式计算求得。该实验成功的话，所发生的化学反应方程式如下:

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依据化学方程式的计量关系。氨气完全反应并转化成二氧化氮，所需氧气的质量比是(4×17):(5×32＋2×32)＝17:56。获得的氨气与氧气的质量比要达到17∶56，则计算得氯化铵与高锰酸钾的质量比应为53.5:553≈1:10.3。但是圆底烧瓶中已经有空气，若其所含的氧气能够与一氧化氮完全反应生成二氧化氮，则氨气与氧气完全反应所需的质量比为(4×17):(5×32)＝17:40，由此计算得氯化铵与高锰酸钾的质量比应为53.5:395≈1:7.4。不过，圆底烧瓶的体积有限，其空气中所含有的氧气量较少，所以高锰酸钾的质量应稍微增加。由于产生氧气的量过多会冲淡二氧化氮的红棕色，影响实验的观察效果，因此，可以取用1g氯化铵并分别取用8～10g的高锰酸钾进行实验比较，可以得出最佳实验效果时氯化铵与高锰酸钾质量的合理比值。

资料表明，氨气在纯氧中的爆炸极限是14.8%～79%，则氯化铵与高锰酸钾质量比1:8～1:10之间，氨气与氧气的体积百分比为59.6%～54.2%，恰好处在爆炸极限内，所以，为了实验安全，应该选用具有防爆性能的催化剂。

(2)催化剂性能的分析与选择

本实验最常用的催化剂是三氧化二铬，通常在实验前用橘红色的重铬酸铵加热分解变为绿色而制得。由于三氧化二铬对人体的毒性较大，实验后的残渣要经专门处理。铜丝也是本实验常用的催化剂，但催化效果不理想。铂丝催化效果好，但价格昂贵。氧化铁和氧化钴也对本实验有催化作用，但要在实验前进行较复杂的预处理。氧化铜对氨的氧化也有催化作用，且在高温下氧化铜能被氨气还原成铜:3CuO＋3NH33Cu＋3H2O＋N2。铜在高温下又与氧气反应生成氧化铜，产生的铜对本实验具有防爆炸的作用。氧化铜是中学化学常用的药品，价格便宜，对人体的毒性相对较小，所以选用氧化铜作为本实验的催化剂，无论是从理论、环保和实验安全等方面考虑都较为科学。此外，在氧化铜中掺入少量二氧化锰可以增强其催化效果。