Question

1．[背景材料]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℃．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．氮化铝还是电绝缘体，介电性能良好，用作电器元件也很有希望．超细氮化铝粉末被广泛应用于大规模集成电路生产领域．
其制取原理为：Al₂O₃+3C+N₂ $\stackrel{高温}{→}$2AlN+3CO
[问题探究]某化学研究性学习小组成员根据氮化铝的制取原理，进行了如下探究．
问题1、在制取氮化铝时由于反应不完全，氮化铝产品中所含杂质除了碳以外还可能存在氧化铝．
问题2、为测定该产品中有关成分的含量，甲、乙两同学设计了以下两个实验：
（1）甲同学：称取10.00g样品，将其加入过量的氢氧化钠溶液中共热并蒸干，AlN跟氢氧化钠溶液反应生成NaAlO₂，并放出氨气3.36L（标准状况）．上述反应的化学方程式为AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑．
（2）乙同学：称取10.00g样品置于反应器中，通入2.016L（标准状况）O₂，在高温下充分反应后测得气体的密度为1.34g•L^-1（已折成标准状况，AlN不跟O₂反应）．该样品中含杂质碳1.92g．
问题3、丙同学受到甲、乙同学实验的启发，认为测定某氮化铝中含有碳或氧化铝杂质，可用图中I的一些装置来进行检验，根据AlN与NaOH溶液反应所生成氨气的体积来测定样品中氮化铝的质量分数，并根据实验现象来确定杂质的成分（实验中导管体积忽略不计）

（1）实验有关操作为：
①往锥形瓶中放入适量的AlN样品：②从分液漏斗往锥形瓶中加入过量的浓NaOH；③检验装置的气密性；④测定收集到水的体积．
正确的操作顺序为③①②④．
（2）本试验中检查装置气密性的方法是关闭分液漏斗活塞，微热锥形瓶，广口瓶中右侧导管水柱上升，恒温时水柱并不回落．
（3）广口瓶中的试剂X可最好选用C（填选项的标号）．
A、苯    B、酒精    C、植物油    D、CCl₄
（4）广口瓶的液体没有装满（上方留有少量空间），实验测得NH₃的体积将不变（填偏大、偏小或不变）．
（5）若实验中测得样品的质量为wg，氨气的体积为aL（标况下），则样品中AlN的质量分数为$\frac{4100a}{22.4w}$%（AlN的式量为41）．
问题4、丁同学认为，丙同学的实验方法，可能因气体体积测量不准，导致误差较大．建议改用图中的Ⅱ装置进行同样实验，通过测定烧杯中硫酸的增重来确定样品中AlN的质量分数．你认为是否可行？不可行（填入“可行”、“不可行”），最简单的改进方法为在装置之间添加盛有碱石灰的干燥管，烧杯导管的末端接一倒扣的漏斗来吸收氨气．
问题5、戊同学仔细思考了丁同学的装置后，认为此装置所测测得的样品中AlN含量偏小．其原因是反应产生的氨气不可能被完全吸收．若忽略此原因的话，只要用图中的III或IV两个装置中的一种，只需进行简单而又必要的数据测定，可比较准确地确定样品中AlN的质量分数．较合理的装置为Ⅲ（填代号）．但是戊同学的装置有缺陷所测结果将偏高或偏低偏低．

Answer 1

分析 问题1、根据反应物可能剩余、碳和氧化铝是固体进行判断；
问题2、（1）由题目信息可知，由于AlN跟氢氧化钠溶液反应生成NaAlO₂、并放出NH₃，据此生成方程式；
（2）反应产物可能CO₂、CO或CO₂和CO、CO₂和O₂的混合气体，根据气体产物的密度可计算出气体产物的平均相对分子质量为30，所以生成气体必定是CO₂和CO混合气体．设混合气体中含有CO₂xmol，CO ymol，根据氧原子守恒和平均相对分子质量的计算，列放出计算x、y的值，样品中n（C）=（x+y）mol，据此计算样品中碳的质量．
问题3、（1）检查装置的气密性往往是在加药品前进行，否则将可能造成药品的浪费；
（2）检查气密性的关键是整个体系要处于密闭状态，常用的方法有：密封气体利用气体的热胀冷缩或液封气体形成液面高度差．具体操作为：关闭分液漏斗活塞，微热锥形瓶，广口瓶中右侧导管水柱上升，恒温时水柱并不回落；
（3）X处在上层，密度比水小，且不容易水、不吸收氨气，用于隔离氨气与水，注意由于苯易挥发，会浪费试剂、影响氨气体积测定；
（4）广口瓶内的液体是否充满不影响所收集到的NH₃体积大小；
（5）计算出氨气的体积为aL的物质的量，再根据方程式计算出AlN的物质的量，进而计算AlN的质量，利用质量分数的定义计算样品中AIN的质量分数；
问题4、II中NH₃极易被吸收，发生倒吸现象，同时氨气中含有水蒸气，影响氨气质量的测定，所以不可行．所作的改正为：在装置之间添加盛有碱石灰的干燥管，烧杯导管的末端接一倒扣的漏斗来吸收氨气；
问题5、通过测定氨气的质量（即实验中硫酸增重量）来推算氮化铝的质量．因为有一部分氨气留在锥形瓶中，反应产生的氨气无法全部被稀硫酸吸收，因此实验测得AlN的质量分数将偏小；
戊同学设计的装置Ⅲ较合理，这是通过反应前后总质量减少来测定AlN的质量分数．这里的干燥管作用是吸收被NH₃带出来的水蒸气（反应放热，更容易使产生的水蒸气被NH₃带走），若用IV，则NH₃被吸收，反应前后几无质量差；
但戊同学仍未考虑到空气中的水蒸气或CO₂的进入，否则，将造成反应后的总质量增大，相当于NH₃的减少，导致结果偏低，故而应再加一个同样的干燥管．

解答 解：问题1、碳和氧化铝是固体，由于反应不完全，反应物中有氧化铝固体可能未反应完而留在AlN中，故答案为：氧化铝；
问题2、（1）由于AlN跟氢氧化钠溶液反应生成NaAlO₂、并放出NH₃，其反应方程式为：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑，故答案为：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑；
（2）反应产物可能CO₂、CO或CO₂和CO、CO₂和O₂的混合气体，根据气体产物的密度可计算出气体产物的平均相对分子质量为30，所以生成气体必定是CO₂和CO混合气体．设混合气体中含有CO₂xmol，CO ymol，根据氧原子守恒有2x+y=0.18…①，根据平均相对分子质量有44x+28y=30（x+y）…②，联立方程解得：x=0.02，y=0.14．所以，样品中C的质量为（0.02+0.14）×12=1.92g，故答案为：1.92；
问题3、（1）检查装置的气密性往往是在加药品前进行，否则将可能造成药品的浪费，故先检验气密性，然后在锥形瓶中放入适量的AlN样品，再从分液漏斗往锥形瓶中加入过量的浓NaOH，测定收集到水的体积，
故答案为：③①②④；
（2）检查气密性的关键是整个体系要处于密闭状态，常用的方法有：密封气体利用气体的热胀冷缩或液封气体形成液面高度差．由装置可知，适合利用气体热胀冷缩．具体操作为：关闭分液漏斗活塞，微热锥形瓶，广口瓶中右侧导管水柱上升，恒温时水柱并不回落．
故答案为：关闭分液漏斗活塞，微热锥形瓶，广口瓶中右侧导管水柱上升，恒温时水柱并不回落；
（3）A．苯易挥发，会浪费试剂、影响氨气体积测定，故A错误；
B．酒精易挥发，挥发出来的气体对实验有影响，同时由于酒精易溶于水，也不能达到隔离的目的，故B错误；
C．植物油既不溶于水，密度小于水也不易挥发，可以把氨气与水进行隔离，故C正确；
D．CCl₄密度大于水，不能起到隔离作用，故D错误．
故答案为：C；
（4）本次实验的目的在于测定产生气体的体积而不是收集纯净的气体，氨气排出装置的气体，按占据原来气体空间，广口瓶内的液体是否充满不影响所收集到的NH₃体积大小，故答案为：不变；
（5）氨气的体积为aL（标况下）的物质的量为 $\frac{aL}{22.4L/mol}$=$\frac{a}{22.4}$mol，由方程式AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑可知，样品中AlN的物质的量为=$\frac{a}{22.4}$mol，所以AlN的质量为 $\frac{a}{22.4}$mol×41g/mol=$\frac{41a}{22.4}$g，样品中AIN的质量分数为$\frac{\frac{41a}{22.4}g}{wg}$×100%=$\frac{4100a}{22.4w}$%．故答案为：$\frac{4100a}{22.4w}$%；
问题4、II中NH₃极易被吸收，发生倒吸现象，同时氨气中含有水蒸气，影响氨气质量的测定，所以不可行．所作的改正为：在装置之间添加盛有碱石灰的干燥管，烧杯导管的末端接一倒扣的漏斗来吸收氨气．故答案为：不可行；在装置之间添加盛有碱石灰的干燥管，烧杯导管的末端接一倒扣的漏斗来吸收氨气；
问题5、通过测定氨气的质量（即实验中硫酸增重量）来推算氮化铝的质量．因为有一部分氨气留在锥形瓶中，反应产生的氨气无法全部被稀硫酸吸收，因此实验测得AlN的质量分数将偏小．
戊同学设计的装置Ⅲ较合理，这是通过反应前后总质量减少来测定AlN的质量分数．这里的干燥管作用是吸收被NH₃带出来的水蒸气（反应放热，更容易使产生的水蒸气被NH₃带走），若用IV，则NH₃被吸收，反应前后几无质量差．但戊同学仍未考虑到空气中的水蒸气或CO₂的进入，否则，将造成反应后的总质量增大，相当于NH₃的减少，导致结果偏低．故答案为：反应产生的氨气不可能被完全吸收；Ⅲ；偏低．

点评 该题为典型的样品纯度测验试题，并要求对已有的实验方案的评价，并指出方案不可行的原因以及在已有实验的基础上进行新的实验设计，理解实验原理是关键，是对所学知识的综合运用，需要学生具备扎实的基础知识与综合运用知识分析问题、解决问题的能力，学习中全面把握基础知识，难度很大．