Question

1．[背景材料]氮化鋁（AlN）陶瓷是一種類金剛石氮化物的新型無機非金屬材料，最高可穩(wěn)定到2200℃．導熱性好，熱膨脹系數(shù)小，是良好的耐熱沖擊材料．抗熔融金屬侵蝕的能力強，是熔鑄純鐵、鋁或鋁合金理想的坩堝材料．氮化鋁還是電絕緣體，介電性能良好，用作電器元件也很有希望．超細氮化鋁粉末被廣泛應用于大規(guī)模集成電路生產領域．
其制取原理為：Al₂O₃+3C+N₂ $\stackrel{高溫}{→}$2AlN+3CO
[問題探究]某化學研究性學習小組成員根據(jù)氮化鋁的制取原理，進行了如下探究．
問題1、在制取氮化鋁時由于反應不完全，氮化鋁產品中所含雜質除了碳以外還可能存在氧化鋁．
問題2、為測定該產品中有關成分的含量，甲、乙兩同學設計了以下兩個實驗：
（1）甲同學：稱取10.00g樣品，將其加入過量的氫氧化鈉溶液中共熱并蒸干，AlN跟氫氧化鈉溶液反應生成NaAlO₂，并放出氨氣3.36L（標準狀況）．上述反應的化學方程式為AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑．
（2）乙同學：稱取10.00g樣品置于反應器中，通入2.016L（標準狀況）O₂，在高溫下充分反應后測得氣體的密度為1.34g•L^-1（已折成標準狀況，AlN不跟O₂反應）．該樣品中含雜質碳1.92g．
問題3、丙同學受到甲、乙同學實驗的啟發(fā)，認為測定某氮化鋁中含有碳或氧化鋁雜質，可用圖中I的一些裝置來進行檢驗，根據(jù)AlN與NaOH溶液反應所生成氨氣的體積來測定樣品中氮化鋁的質量分數(shù)，并根據(jù)實驗現(xiàn)象來確定雜質的成分（實驗中導管體積忽略不計）

（1）實驗有關操作為：
①往錐形瓶中放入適量的AlN樣品：②從分液漏斗往錐形瓶中加入過量的濃NaOH；③檢驗裝置的氣密性；④測定收集到水的體積．
正確的操作順序為③①②④．
（2）本試驗中檢查裝置氣密性的方法是關閉分液漏斗活塞，微熱錐形瓶，廣口瓶中右側導管水柱上升，恒溫時水柱并不回落．
（3）廣口瓶中的試劑X可最好選用C（填選項的標號）．
A、苯    B、酒精    C、植物油    D、CCl₄
（4）廣口瓶的液體沒有裝滿（上方留有少量空間），實驗測得NH₃的體積將不變（填偏大、偏小或不變）．
（5）若實驗中測得樣品的質量為wg，氨氣的體積為aL（標況下），則樣品中AlN的質量分數(shù)為$\frac{4100a}{22.4w}$%（AlN的式量為41）．
問題4、丁同學認為，丙同學的實驗方法，可能因氣體體積測量不準，導致誤差較大．建議改用圖中的Ⅱ裝置進行同樣實驗，通過測定燒杯中硫酸的增重來確定樣品中AlN的質量分數(shù)．你認為是否可行？不可行（填入“可行”、“不可行”），最簡單的改進方法為在裝置之間添加盛有堿石灰的干燥管，燒杯導管的末端接一倒扣的漏斗來吸收氨氣．
問題5、戊同學仔細思考了丁同學的裝置后，認為此裝置所測測得的樣品中AlN含量偏�。�其原因是反應產生的氨氣不可能被完全吸收．若忽略此原因的話，只要用圖中的III或IV兩個裝置中的一種，只需進行簡單而又必要的數(shù)據(jù)測定，可比較準確地確定樣品中AlN的質量分數(shù)．較合理的裝置為Ⅲ（填代號）．但是戊同學的裝置有缺陷所測結果將偏高或偏低偏低．

Answer 1

分析 問題1、根據(jù)反應物可能剩余、碳和氧化鋁是固體進行判斷；
問題2、（1）由題目信息可知，由于AlN跟氫氧化鈉溶液反應生成NaAlO₂、并放出NH₃，據(jù)此生成方程式；
（2）反應產物可能CO₂、CO或CO₂和CO、CO₂和O₂的混合氣體，根據(jù)氣體產物的密度可計算出氣體產物的平均相對分子質量為30，所以生成氣體必定是CO₂和CO混合氣體．設混合氣體中含有CO₂xmol，CO ymol，根據(jù)氧原子守恒和平均相對分子質量的計算，列放出計算x、y的值，樣品中n（C）=（x+y）mol，據(jù)此計算樣品中碳的質量．
問題3、（1）檢查裝置的氣密性往往是在加藥品前進行，否則將可能造成藥品的浪費；
（2）檢查氣密性的關鍵是整個體系要處于密閉狀態(tài)，常用的方法有：密封氣體利用氣體的熱脹冷縮或液封氣體形成液面高度差．具體操作為：關閉分液漏斗活塞，微熱錐形瓶，廣口瓶中右側導管水柱上升，恒溫時水柱并不回落；
（3）X處在上層，密度比水小，且不容易水、不吸收氨氣，用于隔離氨氣與水，注意由于苯易揮發(fā)，會浪費試劑、影響氨氣體積測定；
（4）廣口瓶內的液體是否充滿不影響所收集到的NH₃體積大小；
（5）計算出氨氣的體積為aL的物質的量，再根據(jù)方程式計算出AlN的物質的量，進而計算AlN的質量，利用質量分數(shù)的定義計算樣品中AIN的質量分數(shù)；
問題4、II中NH₃極易被吸收，發(fā)生倒吸現(xiàn)象，同時氨氣中含有水蒸氣，影響氨氣質量的測定，所以不可行．所作的改正為：在裝置之間添加盛有堿石灰的干燥管，燒杯導管的末端接一倒扣的漏斗來吸收氨氣；
問題5、通過測定氨氣的質量（即實驗中硫酸增重量）來推算氮化鋁的質量．因為有一部分氨氣留在錐形瓶中，反應產生的氨氣無法全部被稀硫酸吸收，因此實驗測得AlN的質量分數(shù)將偏��；
戊同學設計的裝置Ⅲ較合理，這是通過反應前后總質量減少來測定AlN的質量分數(shù)．這里的干燥管作用是吸收被NH₃帶出來的水蒸氣（反應放熱，更容易使產生的水蒸氣被NH₃帶走），若用IV，則NH₃被吸收，反應前后幾無質量差；
但戊同學仍未考慮到空氣中的水蒸氣或CO₂的進入，否則，將造成反應后的總質量增大，相當于NH₃的減少，導致結果偏低，故而應再加一個同樣的干燥管．

解答 解：問題1、碳和氧化鋁是固體，由于反應不完全，反應物中有氧化鋁固體可能未反應完而留在AlN中，故答案為：氧化鋁；
問題2、（1）由于AlN跟氫氧化鈉溶液反應生成NaAlO₂、并放出NH₃，其反應方程式為：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑，故答案為：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑；
（2）反應產物可能CO₂、CO或CO₂和CO、CO₂和O₂的混合氣體，根據(jù)氣體產物的密度可計算出氣體產物的平均相對分子質量為30，所以生成氣體必定是CO₂和CO混合氣體．設混合氣體中含有CO₂xmol，CO ymol，根據(jù)氧原子守恒有2x+y=0.18…①，根據(jù)平均相對分子質量有44x+28y=30（x+y）…②，聯(lián)立方程解得：x=0.02，y=0.14．所以，樣品中C的質量為（0.02+0.14）×12=1.92g，故答案為：1.92；
問題3、（1）檢查裝置的氣密性往往是在加藥品前進行，否則將可能造成藥品的浪費，故先檢驗氣密性，然后在錐形瓶中放入適量的AlN樣品，再從分液漏斗往錐形瓶中加入過量的濃NaOH，測定收集到水的體積，
故答案為：③①②④；
（2）檢查氣密性的關鍵是整個體系要處于密閉狀態(tài)，常用的方法有：密封氣體利用氣體的熱脹冷縮或液封氣體形成液面高度差．由裝置可知，適合利用氣體熱脹冷縮．具體操作為：關閉分液漏斗活塞，微熱錐形瓶，廣口瓶中右側導管水柱上升，恒溫時水柱并不回落．
故答案為：關閉分液漏斗活塞，微熱錐形瓶，廣口瓶中右側導管水柱上升，恒溫時水柱并不回落；
（3）A．苯易揮發(fā)，會浪費試劑、影響氨氣體積測定，故A錯誤；
B．酒精易揮發(fā)，揮發(fā)出來的氣體對實驗有影響，同時由于酒精易溶于水，也不能達到隔離的目的，故B錯誤；
C．植物油既不溶于水，密度小于水也不易揮發(fā)，可以把氨氣與水進行隔離，故C正確；
D．CCl₄密度大于水，不能起到隔離作用，故D錯誤．
故答案為：C；
（4）本次實驗的目的在于測定產生氣體的體積而不是收集純凈的氣體，氨氣排出裝置的氣體，按占據(jù)原來氣體空間，廣口瓶內的液體是否充滿不影響所收集到的NH₃體積大小，故答案為：不變；
（5）氨氣的體積為aL（標況下）的物質的量為 $\frac{aL}{22.4L/mol}$=$\frac{a}{22.4}$mol，由方程式AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑可知，樣品中AlN的物質的量為=$\frac{a}{22.4}$mol，所以AlN的質量為 $\frac{a}{22.4}$mol×41g/mol=$\frac{41a}{22.4}$g，樣品中AIN的質量分數(shù)為$\frac{\frac{41a}{22.4}g}{wg}$×100%=$\frac{4100a}{22.4w}$%．故答案為：$\frac{4100a}{22.4w}$%；
問題4、II中NH₃極易被吸收，發(fā)生倒吸現(xiàn)象，同時氨氣中含有水蒸氣，影響氨氣質量的測定，所以不可行．所作的改正為：在裝置之間添加盛有堿石灰的干燥管，燒杯導管的末端接一倒扣的漏斗來吸收氨氣．故答案為：不可行；在裝置之間添加盛有堿石灰的干燥管，燒杯導管的末端接一倒扣的漏斗來吸收氨氣；
問題5、通過測定氨氣的質量（即實驗中硫酸增重量）來推算氮化鋁的質量．因為有一部分氨氣留在錐形瓶中，反應產生的氨氣無法全部被稀硫酸吸收，因此實驗測得AlN的質量分數(shù)將偏�。�
戊同學設計的裝置Ⅲ較合理，這是通過反應前后總質量減少來測定AlN的質量分數(shù)．這里的干燥管作用是吸收被NH₃帶出來的水蒸氣（反應放熱，更容易使產生的水蒸氣被NH₃帶走），若用IV，則NH₃被吸收，反應前后幾無質量差．但戊同學仍未考慮到空氣中的水蒸氣或CO₂的進入，否則，將造成反應后的總質量增大，相當于NH₃的減少，導致結果偏低．故答案為：反應產生的氨氣不可能被完全吸收；Ⅲ；偏低．

點評 該題為典型的樣品純度測驗試題，并要求對已有的實驗方案的評價，并指出方案不可行的原因以及在已有實驗的基礎上進行新的實驗設計，理解實驗原理是關鍵，是對所學知識的綜合運用，需要學生具備扎實的基礎知識與綜合運用知識分析問題、解決問題的能力，學習中全面把握基礎知識，難度很大．