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实验室常用气体的制备与净化方法介绍

(1)氢气的制备与净化
在实验室里制取少量的氢气常用启普发生器。原料中的酸可以用硫酸、盐酸等,金属可以用锌、铁、镁等。工业上常用水、水煤气、天然气等来制备氢气。供高纯试剂或高纯元素生产所用的氢,多以电解水或电解氯化钠(食盐)溶液来制取。
一般氢气中的主要杂质有水蒸气、氧、微量氮、氯、二氧化碳、磷的化台物以及电解液的雾沫,少量的油蒸气等。
氢气的净化通常是使氢通过一系列的净化装置,各种装置具有除去一定杂质的能力,氢气净化的方法和提纯工艺流程较多,但各种方法主要是以除去水和氧为基本出发点。
实验室中,日常所用的氢气钢瓶中的氢气的纯度对大多数用途已经足够了。当需要提纯时,可用钯催化剂使微量氧转化为水,然后用活性氧化铝或浓硫酸等作干燥剂充分脱水即可。如对氧要求不严格时,可让氢气先通过碱性的高锰酸钾溶液,再通过浓硫酸脱水即可。
必须注意的是氢气和空气混合物的爆炸极限为4%-75%(体积分数)。当排除系统中的氢气降低压力时,必须把氢气放入空敞的大气中。
(2)乙炔的制备与净化
乙炔的沸点为-84℃(升华)。在15℃和0.3MPa压力下,100g丙酮中约能溶解30L乙炔。因为乙炔在0.2MPa压力下即能爆炸,所以将其溶于丙酮贮存在钢瓶中,溶有乙炔的丙酮溶液被吸附在多孔物质如硅藻土上,为了防止丙酮被乙炔气体带出,乙炔钢瓶必须直立着使用。
在实验室里少量乙炔使用碳化钙制备,其反应方法各式如下:CaC2+2H2O→C2H2↑+Ca(OH)2
在装有滴液漏斗和气体导出管的lOOOml圆烧瓶中,放置lOOg碳化钙,在水冷却下从滴液漏斗慢慢滴加水,生成的乙炔气经过导管通入洗气瓶净化。根据不同的要求,可以选择适宜的净化程序。在洗气瓶中装入氢氧化钾溶液(500g/L)能除去CO₂等酸性杂质。装入铬酸溶液能除去硫化氢等还原性杂质,脱氧可用连苯三酚溶液。微量的丙铜用亚硫酸氢钠浓溶液洗脱或通过活性炭吸附除去。干燥可用氯化钙、硫酸或五氧化磷。
乙炔和空气混合物的燃烧极限为2.5%-81%(何种分数)。乙炔不能跟银和铜溶液接触,因为它们能生成爆炸性的乙炔化合物。由于乙炔中常含有磷化氢,所以钢瓶装的乙炔是有毒的。
(3)氮气的净化
为了除去钢瓶中所装氮气内含有少量氧,可将氮气通过装有2g联苯三酚和69氢氧化钾的50ml水溶液的洗涤瓶,然后用碱石灰干燥塔进行干燥。
(4)氨气的制备与净化
氨气是有特殊刺激臭味的无色气体,熔点-77.7℃,沸点-33.35℃,非常容易溶于水中,燃点651℃,在空气中的爆炸极限为15.3%-25%(体积分数),有毒性及腐蚀性,在空气中的允许浓度为100μg/g。
在实验室制备少量按气方法如下:在烧瓶在混合5份(质量)氯化铵粉末和7份(质量)新硝化的工业品熟石灰,向混合物中加入10份质量的水并充分搅拌,在砂浴上加热烧瓶时即可得到匀调的气流,然后在洗气瓶中用少量的水洗涤气体,并用固体氢氧化钾干燥。也可用硫酸铵代替氯化铵,用氢氧化钾或氢氧化钠代替氢氧化钙。
由于纯度为99.8%以上的液氨可以装入钢瓶出售,所以通常可直接使用,在室温下有0.8MPa左右的压力,如果使用氨用减压阀降至常压放出后,就可得到纯度很高的氨气。如为了除去微量油蒸气、二氧化碳等需要特别提纯干燥,可使氨气通过活性炭后再通过装有碱石灰或固体氢氧化钠、金属钠丝等一系列的干燥管,最后通过五氧化二磷完全干燥。
(5)硫化氢的制备和净化
硫化氢为无色气体,具有腐败蛋臭味。在常温能被水吸收,1体积的水约可吸收2-3何种的气体,溶解度随温度升高而减小,在室温时的饱和溶液约为0.1mol/L。硫化氢的水溶液叫做硫氢酸,它是一种弱酸。硫化氢为剧毒品。
硫化氢可装入钢瓶在市场出售,一般纯度在99.9%以上。市售的所谓“固态硫化氢”是一种有机硫化物,将其加热很容易制取出硫化氢。
实验室制备硫化氢可由硫化铁和盐酸、硫化钙和盐酸、硫化钙和氯化镁、硫氢化钠和氯化镁以及硫化钠和磷酸等相互作用的方法。现以用硫化钙与氯化镁相互作用制备硫化氢的方法为例。
(6)一氧化碳的制备和净化
一氧化碳毒性极强,无色、无臭,熔点-205.0℃,沸点-191.5℃,临界温度-140.2℃,临界压力3.49MPa,密度为期不远1.250g/L(0),燃点609℃,在空气中爆炸范围,下限为12.5%(体积分数)。
(7)二氧化碳的净化
二氧化碳是一种无色无臭的气体。升华点为-78.48℃,熔点为-55.7℃,在lOOml水中的溶解度:0℃时为171ml;20℃时为88ml;60℃时为36ml二氧化碳。0℃时气态密度为1.977g/L。液态密度0℃时为0.914g/cm3。
钢瓶装的二氧化碳可能含有的杂质是:水蒸气、一氧化碳、氧、氮,在少数情况下含有痕量的硫化氢、二氧化硫等。
瓶装二氧化磷的提纯方法如下:使二氧化碳气体依次通过两个装有乙酸铬(II)的溶液的洗涤瓶,用以除去大部分氧。再通过装着小块的碳酸氢钾的U形管,用以阴德去酸蒸气。通过装着高锰酸钾溶液的洗涤瓶用以除去硫化氢。再通过盛有浓硫酸的洗涤瓶进行干燥。最后再通过装有活性铜和氧化铜并加热至200℃的管,借以除去最近残余的氧和一氧化碳。倘若二氧化碳中不含这些杂质的某一种,则可免去相应的那个容器。
(8)一氧化二氮的制备和净化
一氧化二氮为无色气体,熔点-90.6℃,沸点-88.5℃。常温时在水中的溶解度和二氧化碳相同,1个何种的水可溶解1个何种的气体。
纯度相当高的一氧化二氮在原子吸收光谱分析中用作助燃剂,在医学上用作麻醉剂。已有钢瓶市售。若再行提纯时,可将这种一氧化二氮在五氧化磷上通过之后,用掩体空气冷凝,用减压分馏蒸馏即可。
一氧化二氮的制备是用硝酸铵分解法。将纯硝酸铵放在电烘箱中,在160-170℃加热使其完全脱水,将其熔融物放在玻璃干燥器中使用其凝固。将它研成粉末装到带有支管的圆底烧瓶里,烧瓶上部绕上加热线圈,以防止反应中生成的水冷凝回流到硝酸铵熔融物里。在支管上接上一氧化二氮冷凝捕集器,用冷水冷却,使生成的水大部分冷凝下来,烧瓶在金属网上加热要非常注意,在170℃开始反应,为了防止产生氮气及氧化氮,温度不得超过250℃。因为是放热反应,加热过急或烧瓶中硝酸铵过多都有引起爆炸性反应的危险,所以避免这种情况。产生的一氧化二氮在KOH水溶液和硫酸溶液中通过得以洗涤。微量氧用碱性连二硫酸盐水溶液洗涤除去。因为一氧化二氮在水中的溶解度相当大,故应将气体收集在先充满食盐饱和溶液或热水的贮气器中。