化学工程化学与化工
1
电弧法制硝酸
冥火 2018-8-4 01:25:37

本实验由科创基金赞助

      硝酸是六大无机强酸之一,实验室常用酸,但也同样是管制品,个人一般没有简易的途径获得,对于实验党来说制取硝酸的方法也就成了基本技能。 1905年,挪威出现了电弧法生产硝酸的工厂,是历史上最早的硝酸工业化尝试。

本次实验采用电弧法制硝酸

反应方程式为: 

O2+N2=闪电=2NO 

2NO+O2=2NO2 

3NO2+H2O=2HNO3+NO 

关于原料的选择直接采用空气,毕竟空气取之不尽,用之不竭。

实验时间:2018.7.31

实验数据

装置功率≈80w

制取时间<30min

PH≈2

浓度≈0.01mol/L(仅供参考)

反应装置及原理

pic


 无可避免,一部分氧气会被消耗生成臭氧,不过臭氧随着温度的升高,分解速度加快,温度超过 100℃ 时,分解非常剧烈,达到 270℃高温时,可立即转化为氧气。臭氧在水中的分解速度比空气中快。在含有杂质的水溶液中臭氧迅速恢复到形成它的氧气。

关于吸收装置的选择,应该考虑以下两点

⒈气体与液体应有足够的接触面积和接触时间。

⒉气液两相应具有强烈扰动,减少传质阻力,提高吸收效率。


关于高压装置的选择,应使用功率适当的高压源,同时电源也应认真选择,最好是可调的,方便装置运行过程中进行调试。

电弧的很大一部分能量是通过焦耳热的形式释放出来的,所以有着极高的温度。

常温下,空气中不会产生NO,只有在高温条件下才有可能生成NO和NO2。高温过程中生成NO的过程非常复杂,在2500-9000K的空气中,主要有以下四种反应

O2⇌2O;N2⇌2N;N+O⇌NO;N+O⇌NO++e;O2在2000K时开始离解,超过4000K 时几乎完全离解;N2在3000K时开始离解,9000K时完全离解;NO存在于2000-6000K 范围内。

按照文献,电弧温度在1800~3700K之间时将会产生NO2,当电弧温度大于3700K时,NO2和O2都会分解生成NO和N自由基。

因此,适当提高电弧温度,有利于NO气体的合成。电弧的温度与电流大小有关,电流越大,电弧温度越高,电流越小, 电弧温度越低。

适用于这个反应装置

pic

 

常温下,空气的击穿电压大概为1kv/mm。本次实验采用的高压源电压约15kv,所以电极间距设置为15mm,有条件的朋友可以配置能改变电极间距的反应装置,以拉长电弧。


pic

根据此表可知,相同条件下,电弧越长,气体与电弧的接触面积越大,反应速率越快。

就拿我的装置来说,输入20v时,初始击穿距离为1.5cm左右

无图

功率约78w

pic

 电弧拉到最长时约7.5cm


pic

功率约159w

pic

 如果按增加的反应面积来算,速率大约可以提高5倍。


高压发生装置:ZVS推高压包

pic

反应装置:三口烧瓶

pic

测试效果

pic


吸收装置:长颈漏斗

pic

 装置连接完成(测试中)

pic

装置有很多不尽合理的地方

⒈无氧化室,一氧化氮在生成后只能在反应装置内用为数不多的氧气进行氧化反应,这样就使得二氧化氮浓度难以提高。

标况下,若取22.4L空气作为原料,N2与O2体积比为4:1,按理想反应计算,会产生0.2mol的二氧化氮,完全被水吸收,会生成0.2mol的硝酸。

如果有氧化室,取22.4L空气为原料,N2与O2体积比4:1,若按理想反应,则会生成0.4mol一氧化氮,将一氧化氮通入氧化室,生成0.4mol二氧化氮,完全与水反应,最终生成0.4mol的硝酸。

由此得出,具有氧化室的装置比无氧化室的装置产率高约一倍。

⒉无尾气吸收装置。

⒊吸收装置不合理。

……

开始运行装置

video%3A80496936次下载

 断续制取30分钟后结束反应,测量PH值

pic

 与铜反应明显有气泡冒出

pic

 
硝酸浓度可以根据PH值进行估算
公式为-lg[氢离子浓度]=PH
测量PH值大约为2,带入公式可得氢离子浓度为0.01mol/L,而硝酸在水中会电离出一个氢离子,水的电离作用非常弱,可以不用考虑,所以此浓度可以认为是硝酸浓度。(此法误差非常大,仅供参考)

准确的浓度与产率待滴定装置购置后将重新实验测量。


参考文献:

⒈陈卫鹏,脉冲电弧放电合成一氧化氮的等离子体温度控制实验研究 ,华中科技大学 , 2011

⒉火花放电制备一氧化氮






[修改于 2 个月前 - 2018-10-13 23:23:26]

2018-8-4 09:06:47
1楼
0

楼主这方法好啊,不愁搞不到硝酸了,就是浓度好低

2楼
0

我用ZVS只制出了臭氧,难道是我的方法不正确。

3楼
0

lz应该买个洗气塔

冥火(作者)
4楼
0

@qwe

此次实验只是为了验证方案的可行性,不过效果还可以,如果想做这个实验的应该配置防毒面具,我做的时候快被熏死了。

5楼
0

可以考虑搞一包精密试纸,也不比广泛贵多少。这样精度稳增,水的电离也可以考虑下10-7方emm还是带进去算也不难。

冥火(作者)
6楼
0
引用:何梓源 发表于5 楼的内容:
可以考虑搞一包精密试纸,也不比广泛贵多少。这样精度稳增,水的电离也可以考虑下10-7方emm还是带进.....

如果真想用这个公式计算,还是用PH计比较好,水的电离对结果影响真的不大(完全可以忽略)。

7楼
0
如果真想用这个公式计算,还是用PH计比较好,水的电离对结果影响真的不大(完全可以忽略)。

我确实搞错了,酸性环境影响确实不大。pH计成本有点高,而且长时间测强酸pH对电极也不好吧。但pH计有的能精确到三位确实比精密试纸还精密。

8楼
0

可怜我的ZVS只能制造毒气。

冥火(作者)
9楼
0

@931867939

用容器把放电极密封,放电。

2018-8-7 11:20:37
10楼
0

可以这样做硝酸不,先用电弧法自取少量稀硝酸,然后用碳酸铵(化肥)和稀硝酸反应,生成硝酸铵,再油浴加热让硝酸铵分解成笑气(或者和碳酸钠反应生成硝酸钠在和硫酸铵(化肥)一起加热,)笑气氧化成一氧化氮、二氧化氮吸收生成硝酸这样效率很高

11楼
0
引用:cdyqj 发表于10 楼的内容:
可以这样做硝酸不,先用电弧法自取少量稀硝酸,然后用碳酸铵(化肥)和稀硝酸反应,生成硝酸铵,再油浴加热.....

要用热分解法的话,硝酸铁好用又安全(用氧化铁来中和),只是硝酸铁溶液在加热过程中会挥发出硝酸雾,直接煮沸硝酸会被赶出,剩下氢氧化铁沉淀和部分胶体。之前用过硝酸铁溶液蒸馏硝酸,浓度感人,还有酸雾,后来用硝酸铁固体热分解,臭氧混合二氧化氮吹入冰水中,冷却做得好勉强可以上68%

[修改于 4 个月前 - 2018-08-07 19:47:21]

2018-8-9 10:32:48
冥火(作者)
12楼
0

@HCN

在一个密闭容器内长时间放电,可得到浓度可观的二氧化氮气体。

13楼
0
引用:冥火 发表于12 楼的内容:
@HCN在一个密闭容器内长时间放电,可得到浓度可观的二氧化氮气体。

用广口塑料罐试了一下,确实可以但会被烫瘪。

14楼
0

采用纯氧,纯氮气按照比例混合,在进行反应,这样可行么?

冥火(作者)
15楼
0
引用:王权&富贵 发表于14 楼的内容:
采用纯氧,纯氮气按照比例混合,在进行反应,这样可行么?

可以,不过气体的比例很难控制

2018-8-16 22:26:08
16楼
0

支持楼主,跨学科领域研究,希望楼主有更多的成果

冥火(作者)
17楼
0
引用:jonyxia 发表于16 楼的内容:
支持楼主,跨学科领域研究,希望楼主有更多的成果

谢谢支持

想参与大家的讨论?现在就 登录 或者 注册

nkc production server  https://github.com/kccd/nkc.git

科创研究院 (c)2001-2018

蜀ICP备11004945号-2 川公网安备51010802000058号