无机化学实验教学中对氯化铵制备的改进

2023-01-21

无机化学实验对应于无机化学理论课程，是化学类专业的学生从中学时代步入大学学习过程中首次接触到的第一门必修实验课，对学生的实验操作技能和综合素质的提高具有举足轻重的地位和作用，同时在整个大学化学学习期间起着承上启下的作用，因此无机化学实验教学受到教育工作者和学生的广泛重视，通过无机化学实验课程，可以帮助本科生掌握无机化学基本知识、基本理论和基本实验技能，扎实学好无机化学知识，能用无机化学的理论、观点看待问题，解释无机化学实验中出现的现象，阐述无机化学观点、立场，并进一步提出无机化学问题，对问题展开分析与深入研究，并较好地解决问题或得出较合理的结论。值得一提的是，无机制备实验在无机化学实验中涵盖内容丰富，对化学基本操作要求最为全面，对学生能力的全面提高具有重要意义[1,2,3]。在这些基本的训练实验中，氯化铵的制备是《无机化学实验》课程中的一个综合性实验。由于常规的实验室制备方法都是转化法[4,5]，两步转化法耗时长，纯度低、产率不高，严重打击了大一学生对无机化学实验的兴趣，因此我们认为有必要对该实验的条件进行优化。提高学生对无机化学实验的热爱。

氯化铵(NH4Cl)是一种略带黄色或无色的方形或八面体晶体或粉末。其主要应用是作为一种重要的无机化工原料,主要来源于其他化工产品生产过程的副产物，广泛用于化肥、医药、食品、湿法冶金、电池等领域。

国内工业化生产方法主要有两种，一是用中国著名科学家侯德榜发明的侯氏制碱法[6]，同时生产纯碱和氯化铵两种产品;二是生产碳酸钾等钾盐的副产品。其中侯氏制碱法生产纯碱过程副产的氯化铵占中国氯化铵总量的90%以上。在传统的侯氏制碱法中，联合以食盐、氨及合成氨工业副产的二氧化碳为原料，同时生产纯碱及氯化铵两种产品简称“联合制碱”或称“联碱”。其反应方程式为：

第一步：H2O+NH3+CO2=NH4HCO3

第二步：NaCl+NH4HCO3=NaHCO3+NH4Cl

总反应：NaCl+H2O+NH3+CO2=NaHCO3+NH4Cl

但是近几年来其在工业上，由于中国尿素产量迅猛增加，氯化铵的市场价格受尿素的影响很大。尿素具有含氮量高、颗粒度好不易结块、易于贮存和运输等优点，作为氮肥具有氯化铵无可比拟的优势，极大地挤压了氯化铵的市场份额和价格空间，大部分氯化铵迟迟找不到出路而大量富余滞销或者廉价出售。

但是在无机化学实验中氯化铵的制备依然是一个无机入门级实验，是每一个化学专业大学生所必修的实验。其实验室制法主要为转化法[4,5]，反应方程式为：

按照课本中传统的转化法制备氯化铵时，会导致一系列的问题，如氯化铵的产率不高、纯度低并且耗时长等不可忽视的问题。这一系列问题出现的原因主要是由于Na2SO4与NH4Cl难以分离，导致产物难以分离，在分离过程中有时甚至无法得到产物。这样的结果会严重影响到刚刚接触无机实验的新手，使他们失去对实验研究的高昂兴趣。就大学生的教学而言，这无疑是一个巨大的坎，所以对该技术进行适当优化和改进是十分必要的。并且本工作也成功的在提高了氯化铵纯度的同时缩短反应时间、提高产物产量。

1. 实验部分

(1)主要仪器与试剂

恒温水浴锅;循环水式多用真空泵;电子天平;721型可见分光光度计;电热鼓风干燥箱;数显集热式磁力搅拌器。氯化钠、硫酸铵、硝酸银、甲醛等实际都是分析纯直接使用。

(2)优化后的实验方法

称取11.7g的氯化钠和13.2g的硫酸铵于100mL烧杯中，加入60mL水溶解后转移至100mL烧瓶中，油浴浓缩至30mL，趁热过滤，将滤液冷却结晶，抽滤，乙醇淋洗晶体，60℃条件下干燥12h，称重，计算产率后测定硫酸盐含量[7,8]、氯含量[9]和离氮含量[10]。

2. 结果与讨论

(1)反应温度的影响

我们在实验的过程中发现，蒸发浓缩的时候，油浴的温度对产率的影响比较大，固此我们考察了不同油浴温度下产品的产率和纯度，其结果见图1和图2。

由图1可知，随着油浴温度的升高，氯化铵的产率先增加后降低，但在150℃的时候出现转折点，开始骤降，其原因主要是因为氯化铵在此时的大量分解，致使产率下降。再由图2可知，随着油浴温度的升高，产品氯化铵中硫酸盐的含量也随之减少，其原因是因为硫酸钠的溶解度随温度的升高而降低。所以当用油浴蒸发结晶析出硫酸钠时，温度越高，硫酸钠的析出越彻底，产品氯化铵中的硫酸盐含量也就越低。结合反应温度对产率和硫酸根含量的影响，蒸发结晶硫酸钠的时候，油浴温度控制在150℃最为合理，而此时反应时间也较短为0.5h。

(2)物料比的影响

要想让氯化铵的产率提高就必须让化学反应正向移动，但影响化学平衡的因素有很多，如温度、压强、浓度等。又由勒夏特列原理可知，当改变影响化学平衡的某一因素时，平衡会向减弱这种变化的方向进行。在该实验中，通过采取增加某一反应物的浓度，也就是改变反应物氯化钠与硫酸钠的物料比来达到平衡右移的方法来增大氯化铵的产率。

由图3可知，随着物料比的增加，氯化铵的产率先降低后升高，在物料比为2.2的时候，氯化铵的产率为35.42%，比物料比为2.0时的产率增加了1.0%。在物料比小于2.0的时候，说明反应物硫酸铵过量，使平衡正向移动;在物料比大于2.0的时候，说明反应物氯化钠过量，平衡同样正向移动。当物料比在1.8-2.2之间时，物料比对氯化铵产率的提高较为明显，超过这个范围，在增加任一反应物的比例，都不在对氯化铵的产率有明显的提高。由图4可知，增加反应物的物料比可以减少氯化铵中的硫酸盐含量，其原因主要是因为，物料比越小，说明硫酸铵的含量就越多，从而造成氯化铵产品中的硫酸盐含量也增多。反之当物料比越大，就说明氯化钠的含量相对较多而硫酸铵含量较少，产物中的硫酸盐含量也会随之有着微弱的减少。综合物料比对产品氯化铵产率和其中硫酸盐含量的影响，物料比为2.2时最为合理，此时氯化铵的产率为35.42%，硫酸盐含量为0.19%。

(3)蒸发水量的影响

由图5可知，水的蒸发量对产品氯化铵产率的影响也较为明显，其中水的蒸发量为55%时的产率为37.2%，比水的蒸发量为50%时的产率提高了1.78%。水的蒸发量在52.5%-55.0%之间的产率最高，水的蒸发量超过这个范围，氯化铵的产率都呈下降的趋势，水蒸发量太少，硫酸钠的析出不够完全，从而影响了产品氯化铵的结晶;水蒸发量太多，时间会随之增加，挥发掉的氯化铵也就越多，所以产率会有所下降。由图6可知，水的蒸发量小于50%对产品氯化铵中硫酸盐含量的影响较为明显，原因为当水的蒸发量小于50%时，副产物硫酸钠的析出不够完全，残留在溶液中的硫酸钠会比较多，而硫酸钠在温度小于32.5时以十水硫酸钠的形式结晶析出，因此氯化铵产品中的硫酸盐含量也就增多。综合水的蒸发量对氯化铵产率和其中硫酸盐含量的影响，水的蒸发量控制在55%时最为合理，此时氯化铵的产率为37.2%，硫酸盐含量为0.09%。

(4)实验重复性验证

在最佳制备条件，即反应温度150℃、物料比2.2、蒸发水量55%。重复三次实验，结果列于表1，由表1可知，在此条件下，氯化铵产率不小于36.4%，硫酸盐杂质含量不大于0.15%，铵根与氯离子的比值接近于1，氯化铵的含量不小于99.60%，实验的重复性很好。

3. 结论

氯化铵的制备，是一个综合性较强的实验。涉及到沉淀溶解平衡原理，还涉及到加热、浓缩、冷却及结晶等操作。能很好的锻炼学生的动手能力及发现问题，解决问题的能力，使大一学生得到初步的科研训练。本文对“氯化铵的制备”这一实验进行了优化，通过改变反应温度、物料比、蒸发的水量，得到了纯度较高的白色氯化铵粉末，并且产品的产率可达37%左右。相比传统的制备方法，产率提高了7%左右，时间缩短了3小时左右。通过改进实验方法大大提高了实验效率，并且加入一些检测手段，能更好的锻炼学生的基本实验技能，调动学生对实验的热情。使无机化学综合实验得以顺利完成。

摘要：无机制备实验是一类重要的无机化学实验，在整个本科实验教学过程中的地位突出,其中氯化铵的制备是《无机化学实验》课程中的一个综合性实验。由于常规的实验室制备方法都是转化法，两步转化法耗时长，纯度低、产率不高，本文对氯化铵制备实验进行了优化，通过改变反应温度、物料比、蒸发的水量，得到了纯度较高的白色氯化铵粉末，并且产品的产率可达37%左右。相比传统的制备方法，产率提高了7%左右，时间缩短了3小时左右。

关键词：氯化铵,分光光度计,制备,改进