Question

12．工业制得的氮化铝（AlN）产品中常含有少量Al₄C₃、Al₂O₃、C等杂质．某同学设计了如下实验，分别测定氮化铝（AlN）样品中AlN和Al₄C₃的质量分数（忽略NH₃在强碱性溶液中的溶解）．
（1）实验原理
①Al₄C₃与硫酸反应可生成CH₄；
②AlN溶于强酸产生铵盐，溶于强碱生成氨气，请写出AlN与NaOH溶液反应的化学方程式AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑．
（2）实验装置（如图所示）

（3）实验过程
①连接实验装置，检验装置的气密性．称得D装置的质量为yg，滴定管的读数为amL．
②称取xg A_lN样品置于锥形瓶中；塞好胶塞，关闭活塞K₂、K₃，打开活塞K₁（填入该步应进行的操作），通过分液漏斗加入过量的稀硫酸，与烧瓶内物质充分反应．
③待反应进行完全后，关闭活塞K₁，打开活塞K₃，通过分液漏斗加入过量的NaOH溶液，与烧瓶内物质充分反应．
④打开活塞K₂，通入空气一段时间（填入该步应进行的操作）．
⑤记录滴定管的读数为bmL，称得D装置的质量为zg，
（4）数据分析
①AlN的质量分数为$\frac{41（z-y）}{17x}$×100%．
②若读取滴定管中气体的体积时，液面左高右低，则所测气体的体积偏小（填“偏大”、“偏小”或“无影响”）．
③Al₄C₃的质量分数为$\frac{0.048（a-b）}{{V}_{m}x}$×100%．（该实验条件下的气体摩尔体积为V_m）
（5）假若上述实验装置气密性良好，数据记录也不产生误差，但某同学还是认为该方法测得Al₄C₃的质量分数会偏高，最可能的原因是B装置分液漏斗中的稀硫酸滴入锥形瓶中会排出一部分空气．

Answer 1

分析 从实验装置和实验步骤上看，本实验的原理是用足量硫酸与样品中Al₄C₃完全反应，测量生成的甲烷气体，从而可测得Al₄C₃的百分含量；用足量NaOH溶液与样品中AlN完全反应，用浓硫酸充分吸收生成的氨气，并称量其质量，从而求得AlN的质量分数．
（1）②AlN水解得到氢氧化铝与氨气，氢氧化铝与NaOH溶液反应生成偏铝酸钠；
（3）关闭活塞K₂、K₃，打开活塞 K₁，通过分液漏斗加入过量的稀硫酸，与烧瓶内物质充分反应，测量生成甲烷气体的体积．待反应进行完全后，关闭活塞K₁，打开活塞K₃，通过分液漏斗加入过量的NaOH溶液，与烧瓶内物质充分反应，由于装置中残留部分氨气，打开K₂，通入空气一段时间，排尽装置的氨气，被装置D完全吸收，测定生成氨气质量；
（4）①根据氮原子的守恒，氨气的物质的量等于AlN的物质的量，可求得AlN的质量分数；
②读取滴定管中气体的体积时，液面左高右低，气体的压强大于大气压，测定气体甲烷的体积偏小；
②根据碳原子的守恒，Al₄C₃的物质的量等于甲烷的物质的量的三分之一，可求得Al₄C₃的质量分数；
（5）B装置分液漏斗中的稀硫酸滴入锥形瓶中会排出一部分空气，按甲烷的体积进行了测定．

解答 解：从实验装置和实验步骤上看，本实验的原理是用足量硫酸与样品中Al₄C₃完全反应，测量生成的甲烷气体，从而可测得Al₄C₃的百分含量；用足量NaOH溶液与样品中AlN完全反应，用浓硫酸充分吸收生成的氨气，并称量其质量，从而求得AlN的质量分数．
（1）②AlN水解得到氢氧化铝与氨气，氢氧化铝与NaOH溶液反应生成偏铝酸钠，总反应方程式为：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑，
故答案为：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑；
（3）关闭活塞K₂、K₃，打开活塞 K₁，通过分液漏斗加入过量的稀硫酸，与烧瓶内物质充分反应，测量生成甲烷气体的体积．待反应进行完全后，关闭活塞K₁，打开活塞K₃，通过分液漏斗加入过量的NaOH溶液，与烧瓶内物质充分反应，由于装置中残留部分氨气，打开K₂，通入空气一段时间，排尽装置的氨气，被装置D完全吸收，防止测定的氨气的质量偏小，测定生成氨气质量，
故答案为：关闭活塞K₂、K₃，打开活塞K₁；打开活塞K₂，通入空气一段时间；
（4）①氨气的质量为（z-y）g，物质的量为$\frac{（z-y）g}{17g/mol}$=$\frac{z-y}{17}$mol，根据氮原子的守恒，氨气的物质的量等于AlN的物质的量，所以AlN的质量为$\frac{z-y}{17}$mol×41g/mol=$\frac{41（z-y）}{17}$g，故AlN的质量分数为$\frac{\frac{41（z-y）}{17}g}{xg}$×100%=$\frac{41（z-y）}{17x}$×100%，
故答案为：$\frac{41（z-y）}{17x}$×100%；
②读取滴定管中气体的体积时，液面左高右低，气体的压强大于大气压，测定气体甲烷的体积偏小，
故答案为：偏小．
③甲烷的体积为（a-b）mL，物质的量为$\frac{（a-b）×1{0}^{-3}L}{{V}_{m}L/mol}$=$\frac{（a-b）}{{V}_{m}}$×10^-3mol，根据碳原子的守恒，Al₄C₃的物质的量等于甲烷的物质的量的三分之一，所以Al₄C₃的质量为$\frac{1}{3}$×$\frac{（a-b）}{{V}_{m}}$×10^-3mol×144g/mol=$\frac{48（a-b）}{{V}_{m}}$×10^-3g，Al₄C₃的质量分数为$\frac{\frac{48（a-b）}{{V}_{m}}×1{0}^{-3}g}{xg}$×100%=$\frac{0.048（a-b）}{{V}_{m}x}$×100%，
故答案为：$\frac{0.048（a-b）}{{V}_{m}x}$×100%；
（5）B装置分液漏斗中的稀硫酸滴入锥形瓶中会排出一部分空气，也按甲烷的体积进行了测定，测得Al₄C₃的质量分数会偏高，
故答案为：B装置分液漏斗中的稀硫酸滴入锥形瓶中会排出一部分空气．

点评 本题考查对实验原理与操作步骤的理解、化学计算、物质组成的测定等，难度较大，是对所需知识的综合运用，需要学生具有扎实的基础知识与分析问题、解决问题的能力，理解实验原理是解答的关键．