銨鹽冷卻劑的研究

銨鹽冷卻劑的研究

1“實(shí)驗(yàn)2-2,吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)”用化學(xué)品來(lái)冷卻和生產(chǎn)小型便攜式“無(wú)冰箱”。它不僅具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、能耗低的特點(diǎn)，而且具有攜帶方便、安全等優(yōu)點(diǎn)。故化學(xué)制冷的研究具有十分重要的意義,已越來(lái)越為人們所關(guān)注。人教版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū):化學(xué)》中“化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)化”內(nèi)容學(xué)習(xí)中的“實(shí)驗(yàn)2-2:吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)”,常常難以收到“玻璃片與小燒杯由于結(jié)冰而粘在一起”的效果,需要進(jìn)行改進(jìn)。我們知道,許多無(wú)機(jī)鹽在溶解時(shí)均有吸熱效應(yīng)(為了討論方便以下把這種鹽稱為溶質(zhì)鹽),如銨鹽;有些無(wú)機(jī)鹽能使溶質(zhì)鹽溶在其中且也有較高溶解吸熱值(為了討論方便以下把這種鹽稱為溶劑鹽),如八水氫氧化鋇和十二水磷酸氫二鈉。所以,可望利用無(wú)機(jī)鹽,作為固/固型的化學(xué)制冷袋。當(dāng)溶劑鹽與溶質(zhì)鹽接觸時(shí),溶質(zhì)鹽逐漸溶解于溶劑鹽的結(jié)晶水中,吸收周圍的熱量而達(dá)到制冷的目的。十二水磷酸氫二鈉與硝酸銨不僅有較佳的制冷效果,而且可再生重復(fù)利用,不會(huì)造成環(huán)境污染,可望作為教科書(shū)中“吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)”的替代實(shí)驗(yàn)。我們?cè)谑覝叵?就溶質(zhì)鹽與溶劑鹽的配比組成與制冷效果作了系統(tǒng)的研究,并對(duì)制冷后化學(xué)物質(zhì)的回收再利用及對(duì)環(huán)境污染的影響作了探索。2實(shí)驗(yàn)部分2.1實(shí)驗(yàn)試劑及試劑儀器:燒杯(500mL,200mL),托盤(pán)天平(上海精密科學(xué)儀器有限公司制造),零下溫度計(jì)(-30℃~100℃),藥匙,鐵架臺(tái),玻璃棒,試管。主要試劑:Ba(OH)2·8H2O(北京紅星化工廠),Na2HPO4·12H2O(天津市天大化工實(shí)驗(yàn)廠),尿素(天津市天大化學(xué)試劑廠),Na2CO3·10H2O(上海虹光化工廠),NH4Cl(秦皇島市化學(xué)試劑廠),NH4NO3(西安化學(xué)試劑廠),Na3PO4·12H2O(天津市化學(xué)試劑三廠),NH4HCO3(北京化工廠),Na2SO4·10H2O(金達(dá)化工試劑廠),(NH4)2SO4(天津基準(zhǔn)化學(xué)試劑有限公司),Ca(OH)2(中國(guó)醫(yī)藥公司北京采購(gòu)供應(yīng)站),Na2SO3·7H2O(西安化學(xué)試劑站經(jīng)銷),冰醋酸(天津市天新精細(xì)化工開(kāi)發(fā)中心),NaOH(天津市化學(xué)試劑三廠)。以上除尿素為化學(xué)純外,其余為分析純。2.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程2.2.1溶劑鹽的吸營(yíng)養(yǎng)成分利用溶解度大,溶解吸熱值高的無(wú)機(jī)鹽(稱為溶質(zhì)鹽)溶于另一帶有結(jié)晶水且也有較高溶解吸熱值的無(wú)機(jī)鹽(稱為溶劑鹽)的結(jié)晶水中時(shí),吸收周圍的熱量而達(dá)到致冷目的。2.2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備吸熱效應(yīng)測(cè)定的裝置如圖1所示。大小燒杯中間均勻地塞上棉花,盡量避免外界對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。2.2.3溶解吸熱效應(yīng)制冷劑的制冷效果與溶劑鹽的溶解熱效應(yīng)和失結(jié)晶水的熱效應(yīng)直接相關(guān)。很顯然,這2種鹽均應(yīng)選用溶解吸熱值高的物質(zhì)。無(wú)機(jī)鹽的溶解吸熱效應(yīng)與其溶解度有關(guān),顯然,只有在溶劑鹽有限的結(jié)晶水中盡可能多地溶解溶質(zhì)鹽,才能有較好的制冷效果,故應(yīng)選用溶解吸熱值高且溶解度又大的無(wú)機(jī)鹽為宜,如NH4Cl,NH4NO3等。溶劑鹽則選用結(jié)晶水溶解吸熱值高且價(jià)廉易得的鹽為宜,如Ba(OH)2·8H2O,Na2HPO4·12H2O,Na2CO3·10H2O,Na3PO4·12H2O。2.2.4不同制冷劑對(duì)同一體系內(nèi)充放電溫度ba2.2o(1)不同溶質(zhì)鹽與溶劑鹽的反應(yīng)情況把研磨成粉末的2種固體Na2CO3·10H2O(28g)與NH4NO3(18g)先后加入燒杯中,立即用玻璃棒不斷攪拌,觀察并記錄溫度的變化。在攪拌過(guò)程中聞到有強(qiáng)烈的刺激性氣味氣體產(chǎn)生,反應(yīng)劇烈,可看到原來(lái)白色的顆粒狀晶體慢慢變?yōu)檎吵頎?最后成為糊狀物質(zhì)。依次按表1中研磨成粉末的2種固體代替以上固體完成實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可看出,Ba(OH)2·8H2O和NH4Cl的冷卻效果最好,但是Ba(OH)2·8H2O是毒害品,污染環(huán)境,所以殘液中必須加入過(guò)量的Na2SO4,使之生成難溶的Ba2SO4后再棄之,以保護(hù)環(huán)境;Na2HPO4·12H2O和NH4NO3的冷卻效果也不錯(cuò),在0℃以下保持的時(shí)間最長(zhǎng)。(2)制冷劑配比組成的影響溶質(zhì)鹽與溶劑鹽的配比組成對(duì)制冷效果的影響見(jiàn)表2,實(shí)驗(yàn)用NH4Cl作溶質(zhì)鹽,Ba(OH)2·8H2O作溶劑鹽。理論上計(jì)算,Ba(OH)2·8H2O+2NH4Cl═BaCl2+2NH3↑+10H2O,反應(yīng)物的質(zhì)量比為20∶7,但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,溶質(zhì)鹽與溶劑鹽質(zhì)量比并非7∶20為最好,而是以9∶20最佳,即溶質(zhì)鹽需過(guò)量才有最佳效果。然而溶質(zhì)鹽過(guò)量太多時(shí),效果又變差,這可能是溶質(zhì)鹽需過(guò)量才能在較短時(shí)間內(nèi)全部奪取溶劑鹽中結(jié)晶水,該過(guò)程需吸收大量的熱,故有較好的制冷效果;但溶質(zhì)鹽若過(guò)量太多,其多余未參與吸熱反應(yīng)的鹽在降溫過(guò)程中也要消耗能量,故反而使制冷效果變差。(3)不同制冷劑對(duì)同一體系內(nèi)試管中水的制冷情況對(duì)以上實(shí)驗(yàn)進(jìn)行稍微的修改,在燒杯中插入1支試管,試管中加入10滴水,觀察試管中水的制冷情況,實(shí)驗(yàn)情況見(jiàn)表3。實(shí)驗(yàn)表明:制冷劑Na2CO3·10H2O(30g)+NH4NO3(23g)、Na2HPO4·12H2O(100g)+NH4NO3(90g)、Ba(OH)2·8H2O(20g)+NH4Cl(9g)都可以使處于其體系內(nèi)試管中的水結(jié)冰。2.3nh4no3的合成制冷劑若只能作一次性使用,不僅成本高,而且廢棄的化學(xué)物質(zhì)會(huì)造成環(huán)境污染。為此,我們選用NH4NO3作溶質(zhì)鹽,Na2HPO4·12H2O作溶劑鹽。利用NH4NO3溶解度十分大而Na2HPO4·12H2O溶解度十分小,反應(yīng)完后基本上是以Na2HPO4晶體存在于體系中,即可將它們分離開(kāi)。先把反應(yīng)后的混合物過(guò)濾,將濾液濃縮重結(jié)晶,可得到NH4NO3;然后把Na2HPO4晶體加水煮沸溶解后重結(jié)晶,可得Na2HPO4·12H2O,2者所余母液混合后是一種極好的復(fù)混肥料,可以用于澆花種地,即使廢棄也不會(huì)造成環(huán)境污染。3不同溶劑鹽作溶劑鹽實(shí)驗(yàn)表明,溶質(zhì)鹽除了其溶解吸熱值與制冷效果直接有關(guān)外,其溶解度大小對(duì)制冷效果也有較大影響;溶劑鹽失結(jié)晶水也是一吸熱過(guò)程,使整個(gè)吸熱效應(yīng)加強(qiáng),所以可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持低溫。用NH4NO3,NH4Cl等作溶質(zhì)鹽,Na2HPO4·12H2O,Ba(OH)2·8H2O,Na2CO3·10H2O,Na3PO4·12H2O等作溶劑鹽均可制成化學(xué)制冷劑,其中以Ba(OH)2·8H2O/NH4Cl體系的冷卻效果最佳,但是考慮環(huán)境因素,Na2HPO4·12H2O/NH4NO3體系的冷卻效果當(dāng)為最好,而且可回收再生利用而