SLSection10-kjemi.tex

   1 \section{Oksidasjon av ammoniakk med Cr$_{2}$O$_{3}$}
   2 \label{Kromoks} \index{Oksidasjon av ammoniakk med Cr$_{2}$O$_{3}$|textbf}
   3
   4
   5
   6 \subsubsection{Innledning}
   7 \index{Oksidasjon av ammoniakk med Cr$_{2}$O$_{3}$|textbf}
   8  Den vanlige demonstrasjonsøvelsen som omhandler den
   9 katalyttiske oksidasjonen av \am, involverer bruken av
  10 forhåndsvarmet platina og kobber spoler \cite{fowles}\cite{Gilbert}
  11 og er kjedelige og kompliserte. \\ Flere oksider av
  12 innskuddsmetallene kan brukes som katalytt i oksidasjonen av \am,
  13 men bruken av krom(III)oksid, Cr$_{2}$O$_{3}$ tillater imidlertid at
  14 en kan demonstrere denne oksydasjonen på en
  15 svært effektfull og vakker måte.\\
  16 \newline
  17 I tillegg er det perfekt å utføre denne øvelsen rett etter at en har
  18 utført vulkanforsøket som er nevnt i forrige demonstrasjonsøvelse
  19 (auto-oksydasjon av ammoniumdikromat). Dette fordi sluttproduktet av
  20 denne reaksjonen  nettopp er krom(III)oksid.\\
  21 \newline
  22 Komersielt tilgjengelig Cr$_{2}$O$_{3}$ er ikke brukbart for akkurat
  23 dette forsøket, men oksidet fra dekomponeringen av ammoniumdikromat
  24 er perfekt. Og har man først utført dette forsøket og tatt vare på
  25 katalysten, kan den lagres i lang tid uten å miste sin reaktivitet.
  26
  27 \subsubsection{Forberedelse}
  28 Øvelsen med katalyttisk oksidasjon av \am utføres best i et mørkt
  29 (halvmørkt) klasserom. Effekten er tydelig synlig, selv i et stort
  30 rom. Størrelsen på flasken eller glasskolben har heller ikke så mye
  31 å si for effekten. En kan like gjerne utføre forsøket i en
  32 glassflaske med skrukork - så lenge flasken er gjennomsiktig.
  33
  34
  35 \subsubsection{Framgangsmåte}
  36 I vårt forsøk benytter vi oss av en 25 liter stor glasskoblbe med
  37 vid munning. Ca. 40-50 ml med konsentrert \amm løsning (35$\%$
  38 (0.880 g cm$^{-3}$) eller høyere) helles ned i glasskolben, som
  39 etterpå blir lukket med et passende lokk.\\
  40 Kolben rystes rundt en stund slik at vi får blandet ammoniakken med
  41 luften inne i kolben. Vi får på denne måten dannet en effektiv
  42 atmosfære av ammoniakk i kolben.\\
  43 \newline
  44 Krom(III)oksiden plasseres i en forbrenningsskje og varmes opp over
  45 en gassbrenner til det begynner å gløde av oksiden.
  46 \begin{figure}[h]
  47 \centering
  48 \includegraphics[width=0.90\textwidth]{images/oksidasjon_amm/hoved1}
  49 \caption{Oksidasjon av \am med Cr$_{2}$O$_{3}$}
  50 \end{figure}
  51 Når krom(III)oksiden er varmet opp, føres den ned i kolben (se
  52 figurene).\\
  53 Har man på forhånd laget til en anordning som kan blåse oksiden ut
  54 av forbrenningsskjeen etter at den er ført ned i kolben med skjeen
  55 og lokket satt på, kan en styre gnistregnet inne i kolben. Vi lagde
  56 en slik anordning lett ved å feste en gummislange til en blåsebelg
  57 (se fig. \ref{blasebelg} på side \pageref{blasebelg}).
  58 \begin{figure}[h]
  59 \centering
  60 \includegraphics[width=0.80\textwidth]{images/oksidasjon_amm/hoved0}
  61 \caption{Hjemmelaga $"$blåsebelg$"$ anordning} \label{blasebelg}
  62 \end{figure}
  63 Slangen førte vi ned igjennom et hull i lokket som vi hadde ordnet
  64 til på forhånd. Slangen var festet nedover forbrenningsskjeens
  65 skaft.
  66 \begin{figure}[h]
  67 \centering
  68 \includegraphics[width=0.50\textwidth]{images/oksidasjon_amm/hoved3}
  69 \caption{Ved slutten av hver tilførsel av nytt Cr$_{2}$O$_{3}$ vil
  70 beholderen fylles med en $"$hvit$"$ røyk av vanndamp}
  71 \end{figure}
  72 Ved å klemme inn belgen, ble litt av den varme kromoksiden blåst ut
  73 av skjeen og reaksjonen startet opp. Varmen fra selve oksidasjonen
  74 som skjer på overflaten av kromoksid partiklene er høy nok til å få
  75 partiklene til å gløde rødt. \\
  76 Etter som reaksjonen med partiklene som ble blåst opp i ammoniakk
  77 atomsfæren avtar med dertil varmegang, vil flasken bli dekket av et
  78 lag med vanndamp og bildet blir utydelig.\\
  79 Et nytt pump med blåsebelgen vil sette reaksjonen i gang på nytt med
  80 det samme forløpet.\\
  81 \newline
  82 Tilslutt vil flasken bli fylt med den brunlige NO$_{2}$ gassen. Av
  83 denne grunn bør forsøket bli utført enten under et avtrekk, eller i
  84 nærheten av et åpent vindu e.l.\\ Bortsett fra nitrogendioksiden er
  85 stort sett den eneste kilden til irritasjon lukten av ammoniakk.
  86 Svært lite støv fra Cr$_{2}$O$_{3}$ vil komme ut av glasskolben.\\
  87 \newline
  88 Den samme demostrasjonen kan også utføres svært enkelt. Ved å ta en
  89 vanlig glassflaske med skrukork i bruk. Her kan en helle nedi den
  90 samme mengden med konsentrert \amm, lukke igjen korken og riste
  91 flasken.\\
  92 Deretter tar man og varmer opp litt Cr$_{2}$O$_{3}$ i en metallskje
  93 over en gassbrenner. Når oksidet begynner å gløde litt, heller man
  94 bare oksidet oppi flasken og skrur korken fort igjen. Her er det
  95 viktig å få korken fort på slik at man unngår så mye \am damp i
  96 rommet og at varme Cr$_{2}$O$_{3}$ partikler kommer flyvende ut av
  97 flasken.\\ Partiklene til katalytten vil nå være fanget inne i
  98 flasken og gnistre og lyse rødt og gult. Noen av dem vil holde seg
  99 glødende opptil 60 sekunder.\\
 100 \newline
 101 Etter at reaksjonen er ferdig, vil flasken fylles med vanndamp. En
 102 kan utføre det samme forsøket flere ganger - ved å tilsette mer
 103 oppvarmet Cr$_{2}$O$_{3}$ fra en metallskje og lukke igjen korken.
 104
 105
 106 \subsubsection{Teori}
 107 Reaksjonsmekanismen er svært komplisert. Når forsøket utføres i en
 108 åpen beholder, vil mesteparten av \amm oksidere til nitrogen:
 109 \begin{equation}\label{oksamm1}
 110     4NH_{3} + 2O_{2} \Longrightarrow 2N_{2} + 6H_{2}O
 111 \end{equation}
 112 Det vil i dette tilfellet ikke bli produsert noe nitrogendioksid.
 113 Gjentar en deretter eksperimentet i en lukket beholder (som
 114 beskrevet under framgangsmåte), vil oksidasjonen overraskende nok gå
 115 lengre og danne nitrogenoksid, som videre gir den brune gassen
 116 NO$_{2}$ og som tilslutt produserer ammoniumnitrat:
 117 \begin{equation}\label{oksamm2}
 118     4NH_{3} + 5O_{2} \Longrightarrow 4NO
 119 \end{equation}
 120 \begin{equation}\label{oksamm3}
 121     2NO + O_{2} \Longrightarrow 2NO_{2}
 122 \end{equation}
 123 \begin{equation}\label{oksamm4}
 124     4NO + 4NH_{3} + 3O_{2} + 2H_{2}O \Longrightarrow 4NH_{4}NO_{3}
 125 \end{equation}
 126 Årsaken til denne forskjellen i reaksjonsmønster er enda ikke kjent.
 127 Det er mulig at mangelen på nitrat i det åpne forsøket kan være
 128 grunnen til at reaksjonen mellom NH$_{3}$ og NO danner N$_{2}$,
 129 N$_{2}$O og H$_{2}$O - katalysert med Cr$_{2}$O$_{3}$\footnote{H.
 130 Niiyama, K. Murata, H. V. Can, and E. Echigoya, J. Catal., 1980,
 131 \textbf{63}, 1-10.} \footnote{H.E. Curry-Hyde, H. Musch, A. Baiker,
 132 M. Schraml-Marth, and A. Wokaun, J. Catal., 1992, \textbf{133},
 133 397-414.}, men dette forklarer ikke hvorfor nitrat blir dannet i det
 134 lukkede systemet.
 135
 136
 137 \subsubsection{Forsiktig}
 138 Det er viktig å huske på at krom(IV) forbindelser og krom(III)oksid
 139 virker irriterende på hud og i kontakt med øyne, og spesielt hvis
 140 man får støv inn i åndedrettsystemet \cite{muir}. Ellers bør en
 141 bruke hansker når en behandler stoffer som krom(IV) forbindelser og
 142 (NH$_{4}$)$_{2}$Cr$_{2}$O$_{7}$.
 143
 144
 145 \subsubsection{Utstyr og kjemikalier}
 146 \begin{table}[h]\begin{tabular}{ll}
 147  Krom(III)oksid, Cr$_{2}$O$_{3}$ & Konsentrert \am \\
 148 Rundkolbe, 20 l eller egnet glassflaske & gassbrenner \\
 149  Forbrenningsskje    &        \\
 150 \end{tabular}
 151 \caption{Kjemikalieliste til forsøket - Oksidasjon av ammoniakk med
 152 Cr$_{2}$O$_{3}$}
 153 \end{table}
 154
 155
 156
 157 \subsubsection{Referanser}
 158 \begin{description}
 159     \item[\lbrack1\rbrack] V.A. Volkovich and T.R. Griffiths.
 160 \newblock Catalytic oxidation of ammonia: A sparkling experiment.
 161 \newblock {\em Journal of Chemical Education}, 77(177), 2000.
 162     \item[\lbrack2\rbrack] Ed. G.L.~Gilbert.
 163 \newblock Tested demonstrations in chemistry and selected demonstrations.
 164 \newblock {\em Journal of Chemical Education}, 1:1--35, 1994.
 165 \newblock Denison University, Granville.
 166 \item[\lbrack3\rbrack] Bassam~Z. Shakhashiri.
 167 \newblock {\em Chemical Demonstrations - A Handbook for Teachers of Chemistry},
 168   volume~1.
 169 \newblock The University of Winsconsin Press, 1 edition, 1983.
 170 \newblock 343 pages \\ ISBN: 0-299-08890-1.
 171 \item[\lbrack4\rbrack] G.~Fowles.
 172 \newblock {\em Lecture Demonstrations in Chemistry}.
 173 \newblock Number pp 175-180. G. Bell $\&$ Sons Ltd, London, 1947.
 174 \end{description}
 175
 176
 177
 178
 179
 180