exercise/ammoniakk-oksidasjon.tex

   1 % category: unknown
   2 \section{Oksidasjon av ammoniakk med Cr$_{2}$O$_{3}$}
   3 \label{Kromoks} \index{Oksidasjon av ammoniakk med Cr$_{2}$O$_{3}$|textbf}
   4
   5
   6
   7 \subsubsection{Innledning}
   8 \index{Oksidasjon av ammoniakk med Cr$_{2}$O$_{3}$|textbf}
   9  Den vanlige demonstrasjonsøvelsen som omhandler den
  10 katalyttiske oksidasjonen av \am, involverer bruken av
  11 forhåndsvarmet platina og kobber spoler \cite{fowles}\cite{Gilbert}
  12 og er kjedelige og kompliserte. \\ Flere oksider av
  13 innskuddsmetallene kan brukes som katalytt i oksidasjonen av \am,
  14 men bruken av krom(III)oksid, Cr$_{2}$O$_{3}$ tillater imidlertid at
  15 en kan demonstrere denne oksydasjonen på en
  16 svært effektfull og vakker måte.\\
  17 \newline
  18 I tillegg er det perfekt å utføre denne øvelsen rett etter at en har
  19 utført vulkanforsøket som er nevnt i forrige demonstrasjonsøvelse
  20 (auto-oksydasjon av ammoniumdikromat). Dette fordi sluttproduktet av
  21 denne reaksjonen  nettopp er krom(III)oksid.\\
  22 \newline
  23 Komersielt tilgjengelig Cr$_{2}$O$_{3}$ er ikke brukbart for akkurat
  24 dette forsøket, men oksidet fra dekomponeringen av ammoniumdikromat
  25 er perfekt. Og har man først utført dette forsøket og tatt vare på
  26 katalysten, kan den lagres i lang tid uten å miste sin reaktivitet.
  27
  28 \subsubsection{Forberedelse}
  29 Øvelsen med katalyttisk oksidasjon av \am utføres best i et mørkt
  30 (halvmørkt) klasserom. Effekten er tydelig synlig, selv i et stort
  31 rom. Størrelsen på flasken eller glasskolben har heller ikke så mye
  32 å si for effekten. En kan like gjerne utføre forsøket i en
  33 glassflaske med skrukork - så lenge flasken er gjennomsiktig.
  34
  35
  36 \subsubsection{Framgangsmåte}
  37 I vårt forsøk benytter vi oss av en 25 liter stor glasskoblbe med
  38 vid munning. Ca. 40-50 ml med konsentrert \amm løsning (35$\%$
  39 (0.880 g cm$^{-3}$) eller høyere) helles ned i glasskolben, som
  40 etterpå blir lukket med et passende lokk.\\
  41 Kolben rystes rundt en stund slik at vi får blandet ammoniakken med
  42 luften inne i kolben. Vi får på denne måten dannet en effektiv
  43 atmosfære av ammoniakk i kolben.\\
  44 \newline
  45 Krom(III)oksiden plasseres i en forbrenningsskje og varmes opp over
  46 en gassbrenner til det begynner å gløde av oksiden.
  47 \begin{figure}[h]
  48 \centering
  49 \includegraphics[width=0.90\textwidth]{images/oksidasjon_amm/hoved1}
  50 \caption{Oksidasjon av \am med Cr$_{2}$O$_{3}$}
  51 \end{figure}
  52 Når krom(III)oksiden er varmet opp, føres den ned i kolben (se
  53 figurene).\\
  54 Har man på forhånd laget til en anordning som kan blåse oksiden ut
  55 av forbrenningsskjeen etter at den er ført ned i kolben med skjeen
  56 og lokket satt på, kan en styre gnistregnet inne i kolben. Vi lagde
  57 en slik anordning lett ved å feste en gummislange til en blåsebelg
  58 (se fig. \ref{blasebelg} på side \pageref{blasebelg}).
  59 \begin{figure}[h]
  60 \centering
  61 \includegraphics[width=0.80\textwidth]{images/oksidasjon_amm/hoved0}
  62 \caption{Hjemmelaga $"$blåsebelg$"$ anordning} \label{blasebelg}
  63 \end{figure}
  64 Slangen førte vi ned igjennom et hull i lokket som vi hadde ordnet
  65 til på forhånd. Slangen var festet nedover forbrenningsskjeens
  66 skaft.
  67 \begin{figure}[h]
  68 \centering
  69 \includegraphics[width=0.50\textwidth]{images/oksidasjon_amm/hoved3}
  70 \caption{Ved slutten av hver tilførsel av nytt Cr$_{2}$O$_{3}$ vil
  71 beholderen fylles med en $"$hvit$"$ røyk av vanndamp}
  72 \end{figure}
  73 Ved å klemme inn belgen, ble litt av den varme kromoksiden blåst ut
  74 av skjeen og reaksjonen startet opp. Varmen fra selve oksidasjonen
  75 som skjer på overflaten av kromoksid partiklene er høy nok til å få
  76 partiklene til å gløde rødt. \\
  77 Etter som reaksjonen med partiklene som ble blåst opp i ammoniakk
  78 atomsfæren avtar med dertil varmegang, vil flasken bli dekket av et
  79 lag med vanndamp og bildet blir utydelig.\\
  80 Et nytt pump med blåsebelgen vil sette reaksjonen i gang på nytt med
  81 det samme forløpet.\\
  82 \newline
  83 Tilslutt vil flasken bli fylt med den brunlige NO$_{2}$ gassen. Av
  84 denne grunn bør forsøket bli utført enten under et avtrekk, eller i
  85 nærheten av et åpent vindu e.l.\\ Bortsett fra nitrogendioksiden er
  86 stort sett den eneste kilden til irritasjon lukten av ammoniakk.
  87 Svært lite støv fra Cr$_{2}$O$_{3}$ vil komme ut av glasskolben.\\
  88 \newline
  89 Den samme demostrasjonen kan også utføres svært enkelt. Ved å ta en
  90 vanlig glassflaske med skrukork i bruk. Her kan en helle nedi den
  91 samme mengden med konsentrert \amm, lukke igjen korken og riste
  92 flasken.\\
  93 Deretter tar man og varmer opp litt Cr$_{2}$O$_{3}$ i en metallskje
  94 over en gassbrenner. Når oksidet begynner å gløde litt, heller man
  95 bare oksidet oppi flasken og skrur korken fort igjen. Her er det
  96 viktig å få korken fort på slik at man unngår så mye \am damp i
  97 rommet og at varme Cr$_{2}$O$_{3}$ partikler kommer flyvende ut av
  98 flasken.\\ Partiklene til katalytten vil nå være fanget inne i
  99 flasken og gnistre og lyse rødt og gult. Noen av dem vil holde seg
 100 glødende opptil 60 sekunder.\\
 101 \newline
 102 Etter at reaksjonen er ferdig, vil flasken fylles med vanndamp. En
 103 kan utføre det samme forsøket flere ganger - ved å tilsette mer
 104 oppvarmet Cr$_{2}$O$_{3}$ fra en metallskje og lukke igjen korken.
 105
 106
 107 \subsubsection{Teori}
 108 Reaksjonsmekanismen er svært komplisert. Når forsøket utføres i en
 109 åpen beholder, vil mesteparten av \amm oksidere til nitrogen:
 110 \begin{equation}\label{oksamm1}
 111     4NH_{3} + 2O_{2} \Longrightarrow 2N_{2} + 6H_{2}O
 112 \end{equation}
 113 Det vil i dette tilfellet ikke bli produsert noe nitrogendioksid.
 114 Gjentar en deretter eksperimentet i en lukket beholder (som
 115 beskrevet under framgangsmåte), vil oksidasjonen overraskende nok gå
 116 lengre og danne nitrogenoksid, som videre gir den brune gassen
 117 NO$_{2}$ og som tilslutt produserer ammoniumnitrat:
 118 \begin{equation}\label{oksamm2}
 119     4NH_{3} + 5O_{2} \Longrightarrow 4NO
 120 \end{equation}
 121 \begin{equation}\label{oksamm3}
 122     2NO + O_{2} \Longrightarrow 2NO_{2}
 123 \end{equation}
 124 \begin{equation}\label{oksamm4}
 125     4NO + 4NH_{3} + 3O_{2} + 2H_{2}O \Longrightarrow 4NH_{4}NO_{3}
 126 \end{equation}
 127
 128 Årsaken til denne forskjellen i reaksjonsmønster er enda ikke kjent.
 129 Det er mulig at mangelen på nitrat i det åpne forsøket kan være
 130 grunnen til at reaksjonen mellom NH$_{3}$ og NO danner N$_{2}$,
 131 N$_{2}$O og H$_{2}$O - katalysert med Cr$_{2}$O$_{3}$
 132 \cite{niiyama1980} \cite{curryhyde1992}, men dette forklarer ikke
 133 hvorfor nitrat blir dannet i det lukkede systemet.
 134
 135
 136 \subsubsection{Forsiktig}
 137 Det er viktig å huske på at krom(IV) forbindelser og krom(III)oksid
 138 virker irriterende på hud og i kontakt med øyne, og spesielt hvis
 139 man får støv inn i åndedrettsystemet \cite{muir}. Ellers bør en
 140 bruke hansker når en behandler stoffer som krom(IV) forbindelser og
 141 (NH$_{4}$)$_{2}$Cr$_{2}$O$_{7}$.
 142
 143
 144 \subsubsection{Utstyr og kjemikalier}
 145 \begin{table}[h]\begin{tabular}{ll}
 146  Krom(III)oksid, Cr$_{2}$O$_{3}$ & Konsentrert \am \\
 147 Rundkolbe, 20 l eller egnet glassflaske & gassbrenner \\
 148  Forbrenningsskje    &        \\
 149 \end{tabular}
 150 \caption{Kjemikalieliste til forsøket - Oksidasjon av ammoniakk med
 151 Cr$_{2}$O$_{3}$}
 152 \end{table}
 153
 154 \nocite{Volkovich}
 155 \nocite{bassam1}
 156
 157 \printbibliography