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.