Question

18．氮化铝（AlN）陶瓷是一种类金刚石氮化物的新型无机非金属材料，最高可稳定到2200°C，导热性好，热膨胀系数小，是良好的耐热冲击材料．抗熔融金属侵蚀的能力强，是熔铸纯铁、铝或铝合金理想的坩埚材料．工业用氮化铝（AlN）产品中常含有少量Al₄C₃、AlO₃、C等杂质．现要通过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
①已知Al₄C₃与硫酸反应可生成CH₄，则该反应的离子方程式是Al₄C₃+12H⁺=4Al³⁺+3CH₄↑．
②AlN溶于强酸生成铵盐，溶于氢氧化钠溶液生成氨气，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xgAlN样品置于锥形瓶中；塞好胶塞，关闭活塞K₂、K₃，打开活塞K₁，通过分液漏斗加入过量H₂SO₄（填化学式），与锥形瓶内物质充分反应．
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NaOH（填化学式），与锥形瓶内物质充分反应．
④打开K₂，通过打气装置通入空气一段时间．
⑤记录滴定管的读数为bmL，称得D装置的质量为zg．
（4）数据处理与问答
①在上述装置中，设置活塞K₂的目的是打开K₂，通入空气一段时间，排尽装置的氨气，被装置D完全吸收．
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$\frac{0.048（a-b）}{Vmx}$×100%，AlN的质量分数为$\frac{41（Z-Y）}{17X}$×100%．

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，量取生成的甲烷气体，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，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，以此分析解答；
（1）①Al₄C₃与硫酸反应可生成CH₄和硫酸铝；
②根据题目信息：AlN溶于强碱溶液时会生成NH₃来书写方程式；
（3）②关闭活塞K₂、K₃，打开活塞 K₁，通过分液漏斗加入稀硫酸，硫酸与样品中Al₄C₃完全反应，量取生成的甲烷气体，从而测得Al₄C₃的百分含量；
③关闭活塞K₁，打开活塞K₃，用足量NaOH溶液与样品中AlN完全反应，充分吸收生成的氨气，并称量其质量；
（4）①通入空气一段时间，排尽装置的氨气，被装置D完全吸收；
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；
③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，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．

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，量取生成的甲烷气体，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，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）①碳化铝（Al₄C₃）与水反应生成氢氧化铝和甲烷，碳化铝与硫酸反应可理解为碳化铝（Al₄C₃）与水反应，产物再和硫酸反应，所以产物为硫酸铝和甲烷，反应方程式为：Al₄C₃+6H₂SO₄=2Al₂（SO₄）₃+3CH₄↑，离子方程式为：Al₄C₃+12H⁺=4Al³⁺+3CH₄↑，
故答案为：Al₄C₃+12H⁺=4Al³⁺+3CH₄↑；
②根据题目信息：AlN溶于强碱溶液时会生成NH₃，化学方程式为：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑，故答案为：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑；
（3）②关闭活塞K₂、K₃，打开活塞 K₁，通过分液漏斗加入稀硫酸，硫酸与样品中Al₄C₃完全反应，量取生成的甲烷气体，从而测得Al₄C₃的百分含量，
故答案为：H₂SO₄；
③关闭活塞K₁，打开活塞K₃，用足量NaOH溶液与样品中AlN完全反应，充分吸收生成的氨气，并称量其质量，故答案为：NaOH；
（4）①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，
故答案为：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；
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氨气的质量为（z-y）g，物质的量为$\frac{Z-Y}{17}$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$\frac{\frac{41（Z-Y）}{17}}{X}$×100%=$\frac{41（Z-Y）}{17X}$×100%，
甲烷的体积为（a-b）mL，物质的量为$\frac{（a-b）×1{0}^{-3}}{Vm}$mol，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$\frac{1}{3}$×$\frac{（a-b）×1{0}^{-3}}{Vm}$mol×144g/mol=$\frac{48（a-b）×1{0}^{-3}}{Vm}$g，Al₄C₃的质量分数为$\frac{0.048（a-b）}{Vmx}$×100%，
故答案为：$\frac{0.048（a-b）}{Vmx}$×100%；$\frac{41（Z-Y）}{17X}$×100%．

点评 本题是一道关于物质的组成和含量测定知识的综合考查题，要求学生具有分析和解决问题的能力，难度大．