Лабораторная работа №7 получение азотной кислоты

Азотную кислоту в промышленности получают окислением аммиака. Этот процесс одновременно и необратимо протекает в трех направлениях:

4NН₃ + 5О₂ → 4NО + 6Н₂О + 907 кДж (1)

4NН₃ + 4О₂ → 2N₂О + 6Н₂О + 1104,9 кДж (2)

4NН₃ + 3О₂ → 2N₂ + 6Н₂О + 1269 кДж (3)

Повышение температуры свыше 1173 К приводит к разложению исходного аммиака и образующегося в результате реакции оксида азота (II):

2NН₃ ↔ N₂ + 3Н₂

2NO ↔ N₂ + O₂

Кроме того, оксид азота может взаимодействовать с непрореагировавшим аммиаком:

4NН₃ + 6NО → 5N₂+6Н₂О

Для того чтобы направить реакцию в сторону образования оксида азота, используют сплав платины с родием, который избирательно ускоряет реакцию первую.

Исходя из уравнения реакции, воздушноаммиачная смесь должна иметь соотношение МН₃:О₂ = 1:1,25. На практике это соотношение поддерживают 1:1,7 - 1,8, что соответствует 10 - 11% аммиака в воздушноаммиачной смеси. Повышение содержания аммиака в смеси до 15% делает ее взрывоопасной. Повышение давления не оказывает влияния на выход оксида азота. Полученный оксид азота (II) затем окисляется до оксида азота (IV):

2NО+ О₂ ↔2NО₂+112,3 кДж

Эта реакция до температуры 413 К практически необратима. Повышение давления и понижение температуры способствуют образованию оксида азота (IV). Нитрозные газы поступают на абсорбцию водой:

2NO₂ + H₂О → HNО₃ + НNО₂ + 116 кДж

3НNО₂→ HNО₃ + 2NО + H₂O – 75 кДж

Абсорбция протекает успешнее при понижении температуры и повышении давления.

Цель работы. Получить азотную кислоту окислением аммиака и определить ее выход в зависимости от условий проведения процесса.

Порядок проведения работы. В лаборатории для окисления аммиака используют различные катализаторы. С наибольшей скоростью окисление аммиака протекает на платине, поэтому ее использование в лаборатории в виде сеток или платинированного асбеста дает наилучшие результаты. Большее распространение в учебных лабораториях получили железохромовый и ванадиевый катализаторы, которые изготавливаются на основе оксидов этих металлов. Катализатором заполняют кварцевую или фарфоровую трубку, помещенную в печь. Образовавшиеся нитрозные газы поглощают водой с несколькими каплями пероксида водорода.

Синтез азотной кислоты из воздушноаммиачной смеси, полученной из аммиака и воздуха

Реактивы: раствор соляной кислоты концентрации 0,1 моль/л, пероксид водорода, метиловый оранжевый, хлорид аммония, гидроксид кальция.

Оборудование: установка для получения азотной кислоты (рисунок 1), мерный цилиндр вместимостью 1 л, коническая колба на 250 мл.

Газообразный аммиак из градуированного газометра 1 через поглотительную склянку 4, наполненную раствором гидроксида калия, и реометр 5 поступает в смеситель 6. Аммиак в газометр набирают либо из баллона с аммиаком, либо после получения непосредственно в лаборатории реакцией хлорида, аммония с натронной известью. Газометр и реометр наполняют аммонизированным раствором хлорида натрия.

Рисунок 1. Установка для получения азотной кислоты:

1 - газометр; 2, 3, 22 - краны; 4, 9, 20 - поглотительные склянки с раствором КаОН; 5, 11 - реометры; 6 - смеситель; 7 - воздуходувка; 8, 12, 19 -трехходовые краны; 10 - осушительная колонка; 13 - печь; 14 - трубка с катализатором; 15 - термопара; 16 - терморегулятор; 17 - холодильник; 18 -поглотительные колонки (абсорберы); 21 - аспиратор.

Воздух подается воздуходувкой 7, очищается в поглотительной склянке 9, наполненной раствором гидроксида калия, в осушительной колонке 10 с твердым гидроксидом калия и через реометр 11 также направляется в смеситель 6. Перед началом синтеза проводят анализ воздушноаммиачной смеси, ее пропускают через поглотительную склянку 20 и аспиратор 21.

Для проведения работы в склянку 20 наливают 10 мл 0,1 моль/л раствора НС1 с 2-3 каплями метилового оранжевого, заполняют аспиратор 21 водой и наливают в поглотители 18 по 50 мл дистиллированной воды с 8-10 каплями пероксида водорода. После этого установку проверяют на герметичность. С этой целью на выходную трубку поглотителя 18 надевают резиновый шланг с зажимом, закрывают кран 2, открывают кран 3, краны 8 и 19 ставят в положение, кран 12 в положение и открывают на аспираторе кран 22. Если по истечении небольшого промежутка времени вода перестает вытекать из аспиратора, то установка собрана герметично.

После проверки герметичности закрывают кран 3, переключают краны 12 и 19 в положение и приступают к получению воздушноаммиачной смеси.

Скорость подачи аммиака и воздуха регулируют так, чтобы в смеси было около 10% аммиака. Для этого включают воздуходувку и при помощи трехходового крана 8 устанавливают расход воздуха по реометру 11 около 18—20 л/ч, затем открывают на газометре кран 2 и регулируют подачу аммиака краном 3 по реометру 5. Расход аммиака должен быть около 2 л/ч. Образующаяся смесь через кран 19 выбрасывается в вытяжной шкаф.

Для анализа воздушноаммиачной смеси переводят кран 19 в положение и пропускают смесь через склянку 20 до изменения окраски индикатора, после чего сразу закрывают кран 22, переводят кран 19 в другое положение и измеряют объем воды, вытекшей из аспиратора.

Так как с 10 мл раствора соляной кислоты концентрации 0,1 моль/л взаимодействует 22,4 мл аммиака, процентное содержание аммиака можно вычислить по формуле:

η=

где V₂ - объем аммиака, равный 22,4 мл;

V₁ - объем воды, вытекшей из аспиратора, мл.

Если содержание аммиака в воздушноаммиачной смеси находится в пределах 10%, то приступают к окислению аммиака. С этой целью включают печь 14 и при достижении заданной температуры переключают кран 19 в положение, а кран 12 в положение, отмечая при этом объем аммиака в газометре 1. Пропускают воздушноаммиачную смесь через трубку с катализатором 14 и поглощают образующиеся нитрозные газы в поглотителях 18 до израсходования определенного объема аммиака из газометра (обычно в интервале 0,5-2 л). Работу можно проводить либо меняя температуру реакции при постоянной объемной скорости подачи газов, либо меняя объемную скорость газов при постоянной температуре. Раствор азотной кислоты сливают из поглотителей 18 в коническую колбу, промывают поглотители небольшими количествами дистиллированной воды, которые присоединяют к раствору в колбе добавляют 3-5 капель метилового оранжевого и титруют раствором гидроксида калия концентрации 0,1 моль/л. Образовавшуюся в результате синтеза массу азотной кислоты (т 1) вычисляют по формуле:

m₁= 0,0063·V,

где V - объем раствора 0,1 моль/л гидроксида калия, мл; 0,0063 - масса азотной кислоты в г, соответствующая массе гидроксида калия, содержащейся в 1 мл ее 0,1 моль/л раствора.

Зная объем аммиака, взятый из газометра, рассчитывают по уравнению реакции теоретический выход азотной кислоты.

Синтез азотной кислоты из воздушноаммиачной смеси, полученной пропусканием воздуха через раствор аммиака

Реактивы: раствор аммиака (10-12%-ный), растворы соляной кислоты концентрации 0,1 моль/л, гидроксида калия - 0,1 моль/л, метиловый оранже­вый, пероксид водорода.

Оборудование: установка для получения азотной кислоты (рисунок 2), коническая колба на 250 мл, ареометр.

Воздушноаммиачную смесь получают, пропуская из градуированного газометра 1 воздух через колбу 5, наполненную раствором аммиака (10-12%-ный). Для проведения эксперимента проверяют ареометром плотность раствора аммиака и заполняют газометр воздухом. Для этого закрывают кран 3, ставят трехходовой кран 5 в положение и открывают краны 2 и 4. Затем в поглотитель 12 заливают 50 мл 0,1 моль/л раствора соляной кислоты, а поглотители 18 по 50 мл дистиллированной воды с 8-12 каплями пероксида водорода. Проверяют герметичность прибора, временно устанавливая зажимы на выходе из поглотителей 12 и 18, открывая на газометре краны 3 и 4 при соответствующих положениях трехходовых кранов 5 и 10. Если по истечении некоторого времени в склянке 8 прекратится пробулькивание пузырьков воздуха и на дифманометре и будет постоянное давление, то систему можно считать герметичной. Закрывают кран 4 и снимают зажимы на выходе из поглотителей 12 и 18. Для определения содержания аммиака в воздушноаммиачной смеси устанавливают трехходовой кран 10 в положение и пропускают 1 л воздуха, регулируя скорость его подачи краном 4 по реометру 6 в пределах 2-3 л/ч. Воздух перед колбой с аммиаком очищается в поглотительной склянке 7 раствором гидроксида калия, а воздушноаммиачная смесь - твердым гидроксидом калия в осушительной колонке 9. Воздушноаммиачная смесь направляется в поглотитель 12, где аммиак поглощается раствором соляной кислоты концентрации 0,1 моль/л. После пропускания 1 л воздуха, не меняя положения крана 4, необходимо привести кран 5 в положение, отключая газометр от системы. При дальнейшей работе объемная скорость подачи воздуха будет постоянной, если уровень воды в колоколе газометра поддерживать по возможности стабильным, что контро­лируется показаниями дифманометра 11.

Рисунок 2. Установка для получения азотной кислоты:

1 - газометр с воздухом; 2,3, 4 - краны; 5, 10 - трехходовые краны; 6 - реометр; 7 - промывная склянка с раствором кон; 8 - колба с раствором аммиака; 9 -осушительная колонка; И - дифманометр; 12 - поглотительная колонка для определения содержания аммиака в воздушноаммиачной смеси; 13 - трубка с катализатором; 14 -. трубчатая печь; 15 - термопара; 16 - терморегулятор; 1 7 - холодильник; 1 8 - абсорберы.

Раствор из поглотителя 12 сливают, промывают поглотитель небольшим количеством дистиллированной воды, присоединяют ее к раствору аммиака и титруют в присутствии метилового оранжевого раствором гидроксида калия концентрации 0,1 моль/л. По результатам анализа рассчитывают массу аммиака (т), содержащуюся в 1 л воздушноаммиачной смеси при данной объемной скорости подачи воздуха:

m=(V₀- V₁)·0,0017

где V₀ - объем 0,1 моль/л раствора НС1 в поглотительных колонках, мл;

V₁ - объем 0,1 моль/л раствора гидроксида калия, израсходованный на титрование, мл;

0,0017 — масса аммиака (г), соответствующая массе соляной кислоты, содержащейся в 1 мл раствора концентраци и 0,1 моль/л.

Анализ воздушноаммиачной смеси проводят 2-3 раза.

Определив содержание аммиака в воздушноаммиачной смеси, включают печь 14 и при достижении заданной преподавателем температуры устанавливают краны 5 и 10 в положение (┴). Далее проводят работу и определяют массу образовавшейся азотной кислоты и выход ее в процентах, как описано в первом варианте получения азотной кислоты.