銨鹽冷卻劑的研究

銨鹽冷卻劑的研究

1“實驗2-2,吸熱反應實驗”用化學品來冷卻和生產(chǎn)小型便攜式“無冰箱”。它不僅具有設備簡單、成本低、能耗低的特點，而且具有攜帶方便、安全等優(yōu)點。故化學制冷的研究具有十分重要的意義,已越來越為人們所關注。人教版《普通高中課程標準實驗教科書:化學》中“化學能與熱能的相互轉化”內容學習中的“實驗2-2:吸熱反應實驗”,常常難以收到“玻璃片與小燒杯由于結冰而粘在一起”的效果,需要進行改進。我們知道,許多無機鹽在溶解時均有吸熱效應(為了討論方便以下把這種鹽稱為溶質鹽),如銨鹽;有些無機鹽能使溶質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,可望利用無機鹽,作為固/固型的化學制冷袋。當溶劑鹽與溶質鹽接觸時,溶質鹽逐漸溶解于溶劑鹽的結晶水中,吸收周圍的熱量而達到制冷的目的。十二水磷酸氫二鈉與硝酸銨不僅有較佳的制冷效果,而且可再生重復利用,不會造成環(huán)境污染,可望作為教科書中“吸熱反應實驗”的替代實驗。我們在室溫下,就溶質鹽與溶劑鹽的配比組成與制冷效果作了系統(tǒng)的研究,并對制冷后化學物質的回收再利用及對環(huán)境污染的影響作了探索。2實驗部分2.1實驗試劑及試劑儀器:燒杯(500mL,200mL),托盤天平(上海精密科學儀器有限公司制造),零下溫度計(-30℃~100℃),藥匙,鐵架臺,玻璃棒,試管。主要試劑:Ba(OH)2·8H2O(北京紅星化工廠),Na2HPO4·12H2O(天津市天大化工實驗廠),尿素(天津市天大化學試劑廠),Na2CO3·10H2O(上海虹光化工廠),NH4Cl(秦皇島市化學試劑廠),NH4NO3(西安化學試劑廠),Na3PO4·12H2O(天津市化學試劑三廠),NH4HCO3(北京化工廠),Na2SO4·10H2O(金達化工試劑廠),(NH4)2SO4(天津基準化學試劑有限公司),Ca(OH)2(中國醫(yī)藥公司北京采購供應站),Na2SO3·7H2O(西安化學試劑站經(jīng)銷),冰醋酸(天津市天新精細化工開發(fā)中心),NaOH(天津市化學試劑三廠)。以上除尿素為化學純外,其余為分析純。2.2實驗過程2.2.1溶劑鹽的吸營養(yǎng)成分利用溶解度大,溶解吸熱值高的無機鹽(稱為溶質鹽)溶于另一帶有結晶水且也有較高溶解吸熱值的無機鹽(稱為溶劑鹽)的結晶水中時,吸收周圍的熱量而達到致冷目的。2.2.2實驗設備吸熱效應測定的裝置如圖1所示。大小燒杯中間均勻地塞上棉花,盡量避免外界對測定結果的影響。2.2.3溶解吸熱效應制冷劑的制冷效果與溶劑鹽的溶解熱效應和失結晶水的熱效應直接相關。很顯然,這2種鹽均應選用溶解吸熱值高的物質。無機鹽的溶解吸熱效應與其溶解度有關,顯然,只有在溶劑鹽有限的結晶水中盡可能多地溶解溶質鹽,才能有較好的制冷效果,故應選用溶解吸熱值高且溶解度又大的無機鹽為宜,如NH4Cl,NH4NO3等。溶劑鹽則選用結晶水溶解吸熱值高且價廉易得的鹽為宜,如Ba(OH)2·8H2O,Na2HPO4·12H2O,Na2CO3·10H2O,Na3PO4·12H2O。2.2.4不同制冷劑對同一體系內充放電溫度ba2.2o(1)不同溶質鹽與溶劑鹽的反應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。在攪拌過程中聞到有強烈的刺激性氣味氣體產(chǎn)生,反應劇烈,可看到原來白色的顆粒狀晶體慢慢變?yōu)檎吵頎?最后成為糊狀物質。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驗,實驗現(xiàn)象與結果見表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量的Na2SO4,使之生成難溶的Ba2SO4后再棄之,以保護環(huán)境;Na2HPO4·12H2O和NH4NO3的冷卻效果也不錯,在0℃以下保持的時間最長。(2)制冷劑配比組成的影響溶質鹽與溶劑鹽的配比組成對制冷效果的影響見表2,實驗用NH4Cl作溶質鹽,Ba(OH)2·8H2O作溶劑鹽。理論上計算,Ba(OH)2·8H2O+2NH4Cl═BaCl2+2NH3↑+10H2O,反應物的質量比為20∶7,但實驗結果表明,溶質鹽與溶劑鹽質量比并非7∶20為最好,而是以9∶20最佳,即溶質鹽需過量才有最佳效果。然而溶質鹽過量太多時,效果又變差,這可能是溶質鹽需過量才能在較短時間內全部奪取溶劑鹽中結晶水,該過程需吸收大量的熱,故有較好的制冷效果;但溶質鹽若過量太多,其多余未參與吸熱反應的鹽在降溫過程中也要消耗能量,故反而使制冷效果變差。(3)不同制冷劑對同一體系內試管中水的制冷情況對以上實驗進行稍微的修改,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,實驗情況見表3。實驗表明: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試管中的水結冰。2.3nh4no3的合成制冷劑若只能作一次性使用,不僅成本高,而且廢棄的化學物質會造成環(huán)境污染。為此,我們選用NH4NO3作溶質鹽,Na2HPO4·12H2O作溶劑鹽。利用NH4NO3溶解度十分大而Na2HPO4·12H2O溶解度十分小,反應完后基本上是以Na2HPO4晶體存在于體系中,即可將它們分離開。先把反應后的混合物過濾,將濾液濃縮重結晶,可得到NH4NO3;然后把Na2HPO4晶體加水煮沸溶解后重結晶,可得Na2HPO4·12H2O,2者所余母液混合后是一種極好的復混肥料,可以用于澆花種地,即使廢棄也不會造成環(huán)境污染。3不同溶劑鹽作溶劑鹽實驗表明,溶質鹽除了其溶解吸熱值與制冷效果直接有關外,其溶解度大小對制冷效果也有較大影響;溶劑鹽失結晶水也是一吸熱過程,使整個吸熱效應加強,所以可以在較長時間內保持低溫。用NH4NO3,NH4Cl等作溶質鹽,Na2HPO4·12H2O,Ba(OH)2·8H2O,Na2CO3·10H2O,Na3PO4·12H2O等作溶劑鹽均可制成化學制冷劑,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體系的冷卻效果當為最好,而且可回收再生利用而