二氧化氮制取實(shí)驗(yàn)裝置和除氣操作的改進(jìn)

張婉楓(中核四0四有限公司第三分公司，甘肅 蘭州 732850)

0 引言

氮?dú)庾鳛榭諝庵姓加斜壤畲蟮臍怏w，擁有眾多的氧化物，因此往往也會涉及到許多的復(fù)雜問題。二氧化氮呈現(xiàn)紅棕色，并且在二氧化氮?dú)怏w當(dāng)中往往存在著一定量的四氧化二氮，并且彼此之間往往存在著平衡制約的關(guān)系，維持這種關(guān)系會具有顯著的顏色變化，并且正反應(yīng)是一種放熱反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行氣體的體積會減小。因此二氧化氮與四氧化二氮二者之間的轉(zhuǎn)化因?yàn)闇囟取簭?qiáng)的變化會導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)平衡呈現(xiàn)出顯著的顏色變化，參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生可以顯著感受到氣體溫度、壓強(qiáng)的變化導(dǎo)致化學(xué)平衡出現(xiàn)移動。所以說在一般教材當(dāng)中，二氧化氮制備實(shí)驗(yàn)都會出現(xiàn)在化學(xué)平衡移動條件教學(xué)當(dāng)中，而二氧化氮就是這一實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的重要?dú)怏w。二氧化氮本身是一種有毒性、有害性氣體，并且在二氧化氮制備實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，常常不可避免地會有一定量的二氧化氮出現(xiàn)在空氣當(dāng)中。所以在制備二氧化氮實(shí)驗(yàn)、平衡實(shí)驗(yàn)結(jié)束以后，需要將余氣去除，如果這些氣體釋放出來就會對環(huán)境造成污染。為了最大程度上減少二氧化氮對環(huán)境造成的污染，教學(xué)實(shí)驗(yàn)中將二氧化氮制備與平衡實(shí)驗(yàn)作為重點(diǎn)研究課題。

1 二氧化氮制取實(shí)驗(yàn)

1.1 常用制取裝置存在的一系列缺陷

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，往往使用銅、濃硝酸制備二氧化氮?dú)怏w。對于少量的二氧化氮?dú)怏w制備往往在試管當(dāng)中進(jìn)行。不過對于氣體平衡實(shí)驗(yàn)而言，往往需要制備大量的氣體，因此需要在大容量燒瓶當(dāng)中進(jìn)行。需要將制備氣體的燒瓶和玻璃導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)連接，隨后在燒瓶當(dāng)中插入玻璃導(dǎo)管。制備二氧化氮實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。制備二氧化氮的過程中，需要將銅、濃硝酸進(jìn)行充分混合，并且反應(yīng)處于持續(xù)進(jìn)行的狀態(tài)，同時(shí)導(dǎo)管當(dāng)中排出氣體也是處于持續(xù)進(jìn)行的狀態(tài)，由此導(dǎo)致排出氣體的過程和收集氣體的過程并沒有實(shí)現(xiàn)密切結(jié)合：

圖1 制備二氧化氮實(shí)驗(yàn)裝置

(1)在集氣瓶更換過程中難免會將瓶中氣體釋放出來，如果更換集氣瓶數(shù)量多，釋放出的氣體也就越多。(2)收集氣體結(jié)束以后，燒瓶內(nèi)部剩余的銅、濃硝酸之間還需要繼續(xù)產(chǎn)生反應(yīng)，繼續(xù)產(chǎn)生二氧化氮，這些后來產(chǎn)生的二氧化氮就會釋放到空氣當(dāng)中[1]。雖然將導(dǎo)管插入NaOH溶液當(dāng)中，但是在氣體排出較快的條件下，還是會有很多氣泡從溶液當(dāng)中的氣泡釋放出來對空氣造成污染。(3)生成物與對應(yīng)的現(xiàn)象：氣體制備燒瓶內(nèi)部，銅和硝酸反應(yīng)生成硝酸銅、二氧化氮、一氧化氮，經(jīng)過電離產(chǎn)生二氧化氮離子，與銅離子反應(yīng)生成Cu(NO2)2，液體呈現(xiàn)綠色。其中加入大量的氫氧化鈉溶液以后，會很大程度上降低硝酸銅濃度，液體呈現(xiàn)綠色，主要是亞硝酸銅溶液的顏色[2]。通過倒吸使氫氧化鈉溶液進(jìn)入到燒瓶內(nèi)部，溶液當(dāng)中形成Cu(OH)2、Cu(OH)2·Cu(NO3)2。當(dāng)二氧化氮等氣體和已經(jīng)進(jìn)入燒瓶當(dāng)中的下落氫氧化鈉溶液在運(yùn)動過程中由于充分接觸而發(fā)生反應(yīng)：

少量的水當(dāng)中會形成大量的NaNO2沉淀，和銅離子發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生具有可溶性的Cu(NO2)2黃綠色固體。受到多種因素影響，在氫氧化鈉溶液當(dāng)中會摻雜一定量的碳酸鈉，正因如此在酸性區(qū)域當(dāng)中才會產(chǎn)生二氧化氮?dú)怏w，并且紅棕色消失。二氧化氮和氫氧化鈉溶液在實(shí)際反應(yīng)過程中，產(chǎn)生的氣體會轉(zhuǎn)化成為液體或固體，從而氣壓下降，這樣才能保證倒吸可以持續(xù)進(jìn)行。因?yàn)闈舛冗^高，在倒吸過程中會產(chǎn)生競爭反應(yīng)，濃度不同會形成不同的物質(zhì)，部分物質(zhì)因?yàn)椴环€(wěn)定性，會產(chǎn)生轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。

1.2 去除燒瓶中的氣體

去除氣體的過程中，燒瓶需要和氣球之間使用T形管進(jìn)行連接，隨后將T形管與玻璃導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)連接，在氫氧化鈉溶液當(dāng)中插入玻璃導(dǎo)管。隨后將K2關(guān)閉，將K1打開，使用熱毛巾捂住燒瓶，氣體在加熱條件下會出現(xiàn)膨脹，氣壓增加，此時(shí)氣體會進(jìn)入到氣球當(dāng)中。一段時(shí)間后，將K1關(guān)閉，拿掉熱毛巾，將K2打開，換用冷毛巾捂住燒瓶，氣體受冷就會收縮，氣壓下降，由此產(chǎn)生倒吸現(xiàn)象，氫氧化鈉溶液進(jìn)入燒瓶中，此時(shí)再將K1打開。集氣瓶當(dāng)中有氫氧化鈉溶液進(jìn)入以后會和瓶內(nèi)的氣體發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生多種氧化物，包括NaNO3、NaNO2、H2O，去除NO2、N2O4、NO，原本呈現(xiàn)紅棕色的氣體最終變?yōu)闇\黃色的溶液。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

2.1 在實(shí)際教學(xué)當(dāng)中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)經(jīng)過改進(jìn)以后，制取、去除二氧化氮的方法、內(nèi)容、操作細(xì)節(jié)都會在實(shí)際教學(xué)活動中成為一種優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，并且在教學(xué)過程中可以結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行靈活的變動，包括適當(dāng)?shù)耐卣古c壓縮。氣體制備裝置改進(jìn)以后，在倒吸的作用下，往往燒瓶中會呈現(xiàn)出多種多樣的現(xiàn)象，在一定程度上吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過具有趣味性的方法掌握去除二氧化氮的方式，并且這在很大程度上可以加深學(xué)生的學(xué)習(xí)印象。關(guān)于二氧化氮制備實(shí)驗(yàn)不僅可以在課堂上進(jìn)行，在課外的化學(xué)活動小組、化學(xué)興趣小組同樣可以進(jìn)行，這樣可以提升學(xué)生們學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性。對于已經(jīng)學(xué)習(xí)過關(guān)于二氧化氮知識的學(xué)生，這一實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生鞏固知識，對于還沒有學(xué)習(xí)過二氧化氮知識的學(xué)生，可以激發(fā)其求知欲、探索欲、趣味性。并且在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及到了多方面的知識，包括化學(xué)式、化合價(jià)、化學(xué)平衡等等。在實(shí)驗(yàn)過程中可以實(shí)現(xiàn)對這些方法、內(nèi)容的歸納、分類，并且在實(shí)際教學(xué)過程中，還可以從多角度提升學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

2.2 推廣應(yīng)用倒吸法

制備二氧化氮?dú)怏w的裝置，無論是否加熱，在有必要的條件下，使用這一套裝置與方法均可以產(chǎn)生倒吸現(xiàn)象，通過倒吸法可以將多種有毒氣體去除。在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，不僅是二氧化氮，包括二氧化硫、氯氣、鹽酸、氨氣均可以使用倒吸法進(jìn)行去除。二氧化硫、氯氣、鹽酸等氣體可以使用氫氧化鈉進(jìn)行去除，氨氣需要使用鹽酸溶液進(jìn)行吸收。由于不同的氣體具有不同的性質(zhì)，因此在制備氣體時(shí)往往也具有不同的特點(diǎn)。對于一些氣體制備反應(yīng)，有時(shí)需要加熱，而有些氣體并不需要加熱，有些氣體在反應(yīng)過程中放熱多，有些氣體則放熱少。有些氣體在特定的液體中具有相對較大的溶解度，而有些氣體在液體中具有較小的溶解度，而溶解度會在根本上決定倒吸的速度。在去除殘留氣體的過程中往往氣體需要一定的冷卻時(shí)間，冷卻完成后，才可以用手去觸碰燒瓶，通過氣球的舒張程度對氣壓大小進(jìn)行判斷，以此來選擇正確的倒吸方法與時(shí)間。在去除氣體的過程中，氣球當(dāng)中往往不能含有過多的氣體。

3 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)合以往的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，燒瓶內(nèi)部二氧化氮?dú)怏w壓力、吸收劑的實(shí)際溫度、料填充度均是對吸收二氧化氮?dú)怏w產(chǎn)生影響的主要因素。鑒于此，需要在正交設(shè)計(jì)法實(shí)驗(yàn)原則的基礎(chǔ)上對上述三因素進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上探索吸收二氧化氮。

3.1 二氧化氮的產(chǎn)生

銅和濃硝酸之間發(fā)生劇烈的反應(yīng)，反應(yīng)釋放出大量的紅棕色二氧化氮?dú)怏w，反應(yīng)式：

3.2 二氧化氮與水的反應(yīng)

集氣管當(dāng)中收集滿二氧化氮?dú)怏w以后，集氣管下口就會放出已經(jīng)形成的二氧化氮，反應(yīng)瓶當(dāng)中用于液封的水會吸收二氧化氮。反應(yīng)式：

3.3 一氧化氮與氧氣之間的反應(yīng)

銅與濃硝酸劇烈反應(yīng)停止以后，因?yàn)殂~已經(jīng)完全消耗完畢，因此反應(yīng)停止，整個(gè)反應(yīng)大約持續(xù)4 s時(shí)間，并且集氣管內(nèi)部的水位迅速上升，同時(shí)紅棕色氣體不斷淡化。二氧化氮與水之間發(fā)生反應(yīng)生成硝酸、一氧化氮。生成的一氧化氮在氧氣的作用下很容易被氧化，反應(yīng)式：

3.4 集氣管水面上升

二氧化氮與水之間發(fā)生反應(yīng)，由此集氣管內(nèi)部的氣體體積減少，造成負(fù)壓，水被向上吸，水面最終停止在集氣管的2/3～3/4位置。

4 特點(diǎn)與用途

4.1 特點(diǎn)

在對實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行清洗之前，需要將內(nèi)管罩向上輕輕提起，脫離水面持續(xù)幾秒鐘，使空氣進(jìn)入，這樣就可以將殘留在內(nèi)部的一氧化氮被反應(yīng)掉，氧氣含量大約為40 mL。結(jié)合反應(yīng)理論，產(chǎn)生的一氧化氮會轉(zhuǎn)化為二氧化氮，此時(shí)需要消耗大約10 mL的氧氣，反應(yīng)結(jié)束后，往往實(shí)驗(yàn)器內(nèi)部會剩余大量的氧氣，而一氧化氮幾乎沒有剩余，此時(shí)對實(shí)驗(yàn)器進(jìn)行沖洗可以確保安全性。

4.2 用途

因?yàn)槎趸獨(dú)怏w易溶于水，由此制備二氧化氮以及二氧化氮和水之間發(fā)生的反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)在反應(yīng)器內(nèi)連續(xù)進(jìn)行，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置可以很大程度上解決實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的時(shí)間以及實(shí)驗(yàn)試劑的使用量，并且確保實(shí)驗(yàn)的環(huán)保。

5 結(jié)語

通過改進(jìn)二氧化氮制備實(shí)驗(yàn)，可以有效防止氣體制備過程中出現(xiàn)二氧化氮泄漏的情況。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過程中，受到多種因素的影響，溶液會呈現(xiàn)出多種顏色的變化現(xiàn)象。對二氧化氮制備實(shí)驗(yàn)改進(jìn)以后可以有效提升二氧化氮?dú)怏w的吸收率，并且實(shí)驗(yàn)過程中涉及到多項(xiàng)知識點(diǎn)，可以幫助學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)、鞏固。