(1)氫氣的制備與凈化
在實驗室里制取少量的氫氣常用啟普發生器。原料中的酸可以用硫酸、鹽酸等,金屬可以用鋅、鐵、鎂等。工業上常用水、水煤氣、天然氣等來制備氫氣。供高純試劑或高純元素生產所用的氫,多以電解水或電解氯化鈉(食鹽)溶液來制取。
一般氫氣中的主要雜質有水蒸氣、氧、微量氮、氯、二氧化碳、磷的化臺物以及電解液的霧沫,少量的油蒸氣等。
氫氣的凈化通常是使氫通過一系列的凈化裝置,各種裝置具有除去一定雜質的能力,氫氣凈化的方法和提純工藝流程較多,但各種方法主要是以除去水和氧為基本出發點。
實驗室中,日常所用的氫氣鋼瓶中的氫氣的純度對大多數用途已經足夠了。當需要提純時,可用鈀催化劑使微量氧轉化為水,然后用活性氧化鋁或濃硫酸等作干燥劑充分脫水即可。如對氧要求不嚴格時,可讓氫氣先通過堿性的高錳酸鉀溶液,再通過濃硫酸脫水即可。
必須注意的是氫氣和空氣混合物的爆炸極限為4%-75%(體積分數)。當排除系統中的氫氣降低壓力時,必須把氫氣放入空敞的大氣中。
(2)乙炔的制備與凈化
乙炔的沸點為-84℃(升華)。在15℃和0.3MPa壓力下,100g丙酮中約能溶解30L乙炔。因為乙炔在0.2MPa壓力下即能爆炸,所以將其溶于丙酮貯存在鋼瓶中,溶有乙炔的丙酮溶液被吸附在多孔物質如硅藻土上,為了防止丙酮被乙炔氣體帶出,乙炔鋼瓶必須直立著使用。
在實驗室里少量乙炔使用碳化鈣制備,其反應方法各式如下:CaC2+2H2O→C2H2↑+Ca(OH)2
在裝有滴液漏斗和氣體導出管的lOOOml圓燒瓶中,放置lOOg碳化鈣,在水冷卻下從滴液漏斗慢慢滴加水,生成的乙炔氣經過導管通入洗氣瓶凈化。根據不同的要求,可以選擇適宜的凈化程序。在洗氣瓶中裝入氫氧化鉀溶液(500g/L)能除去CO₂等酸性雜質。裝入鉻酸溶液能除去硫化氫等還原性雜質,脫氧可用連苯三酚溶液。微量的丙銅用亞硫酸氫鈉濃溶液洗脫或通過活性炭吸附除去。干燥可用氯化鈣、硫酸或五氧化磷。
乙炔和空氣混合物的燃燒極限為2.5%-81%(何種分數)。乙炔不能跟銀和銅溶液接觸,因為它們能生成爆炸性的乙炔化合物。由于乙炔中常含有磷化氫,所以鋼瓶裝的乙炔是有毒的。
(3)氮氣的凈化
為了除去鋼瓶中所裝氮氣內含有少量氧,可將氮氣通過裝有2g聯苯三酚和69氫氧化鉀的50ml水溶液的洗滌瓶,然后用堿石灰干燥塔進行干燥。
(4)氨氣的制備與凈化
氨氣是有特殊刺激臭味的無色氣體,熔點-77.7℃,沸點-33.35℃,非常容易溶于水中,燃點651℃,在空氣中的爆炸極限為15.3%-25%(體積分數),有毒性及腐蝕性,在空氣中的允許濃度為100μg/g。
在實驗室制備少量按氣方法如下:在燒瓶在混合5份(質量)氯化銨粉末和7份(質量)新硝化的工業品熟石灰,向混合物中加入10份質量的水并充分攪拌,在砂浴上加熱燒瓶時即可得到勻調的氣流,然后在洗氣瓶中用少量的水洗滌氣體,并用固體氫氧化鉀干燥。也可用硫酸銨代替氯化銨,用氫氧化鉀或氫氧化鈉代替氫氧化鈣。
由于純度為99.8%以上的液氨可以裝入鋼瓶出售,所以通常可直接使用,在室溫下有0.8MPa左右的壓力,如果使用氨用減壓閥降至常壓放出后,就可得到純度很高的氨氣。如為了除去微量油蒸氣、二氧化碳等需要特別提純干燥,可使氨氣通過活性炭后再通過裝有堿石灰或固體氫氧化鈉、金屬鈉絲等一系列的干燥管,最后通過五氧化二磷完全干燥。
(5)硫化氫的制備和凈化
硫化氫為無色氣體,具有腐敗蛋臭味。在常溫能被水吸收,1體積的水約可吸收2-3何種的氣體,溶解度隨溫度升高而減小,在室溫時的飽和溶液約為0.1mol/L。硫化氫的水溶液叫做硫氫酸,它是一種弱酸。硫化氫為劇毒品。
硫化氫可裝入鋼瓶在市場出售,一般純度在99.9%以上。市售的所謂“固態硫化氫”是一種有機硫化物,將其加熱很容易制取出硫化氫。
實驗室制備硫化氫可由硫化鐵和鹽酸、硫化鈣和鹽酸、硫化鈣和氯化鎂、硫氫化鈉和氯化鎂以及硫化鈉和磷酸等相互作用的方法。現以用硫化鈣與氯化鎂相互作用制備硫化氫的方法為例。
(6)一氧化碳的制備和凈化
一氧化碳毒性極強,無色、無臭,熔點-205.0℃,沸點-191.5℃,臨界溫度-140.2℃,臨界壓力3.49MPa,密度為期不遠1.250g/L(0),燃點609℃,在空氣中爆炸范圍,下限為12.5%(體積分數)。
(7)二氧化碳的凈化
二氧化碳是一種無色無臭的氣體。升華點為-78.48℃,熔點為-55.7℃,在lOOml水中的溶解度:0℃時為171ml;20℃時為88ml;60℃時為36ml二氧化碳。0℃時氣態密度為1.977g/L。液態密度0℃時為0.914g/cm3。
鋼瓶裝的二氧化碳可能含有的雜質是:水蒸氣、一氧化碳、氧、氮,在少數情況下含有痕量的硫化氫、二氧化硫等。
瓶裝二氧化磷的提純方法如下:使二氧化碳氣體依次通過兩個裝有乙酸鉻(II)的溶液的洗滌瓶,用以除去大部分氧。再通過裝著小塊的碳酸氫鉀的U形管,用以陰德去酸蒸氣。通過裝著高錳酸鉀溶液的洗滌瓶用以除去硫化氫。再通過盛有濃硫酸的洗滌瓶進行干燥。最后再通過裝有活性銅和氧化銅并加熱至200℃的管,借以除去最近殘余的氧和一氧化碳。倘若二氧化碳中不含這些雜質的某一種,則可免去相應的那個容器。
(8)一氧化二氮的制備和凈化
一氧化二氮為無色氣體,熔點-90.6℃,沸點-88.5℃。常溫時在水中的溶解度和二氧化碳相同,1個何種的水可溶解1個何種的氣體。
純度相當高的一氧化二氮在原子吸收光譜分析中用作助燃劑,在醫學上用作麻醉劑。已有鋼瓶市售。若再行提純時,可將這種一氧化二氮在五氧化磷上通過之后,用掩體空氣冷凝,用減壓分餾蒸餾即可。
一氧化二氮的制備是用硝酸銨分解法。將純硝酸銨放在電烘箱中,在160-170℃加熱使其完全脫水,將其熔融物放在玻璃干燥器中使用其凝固。將它研成粉末裝到帶有支管的圓底燒瓶里,燒瓶上部繞上加熱線圈,以防止反應中生成的水冷凝回流到硝酸銨熔融物里。在支管上接上一氧化二氮冷凝捕集器,用冷水冷卻,使生成的水大部分冷凝下來,燒瓶在金屬網上加熱要非常注意,在170℃開始反應,為了防止產生氮氣及氧化氮,溫度不得超過250℃。因為是放熱反應,加熱過急或燒瓶中硝酸銨過多都有引起爆炸性反應的危險,所以避免這種情況。產生的一氧化二氮在KOH水溶液和硫酸溶液中通過得以洗滌。微量氧用堿性連二硫酸鹽水溶液洗滌除去。因為一氧化二氮在水中的溶解度相當大,故應將氣體收集在先充滿食鹽飽和溶液或熱水的貯氣器中。