Question

氮化鋁（AlN）陶瓷是一種類金剛石氮化物的新型無機(jī)非金屬材料，最高可穩(wěn)定到2200℃．導(dǎo)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(qiáng)，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(xì)氮化鋁粉末被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模集成電路生產(chǎn)領(lǐng)域．其制取原理為：
Al₂O₃+3C+N₂ 2AlN+3CO
（問題探究）某化學(xué)研究性學(xué)習(xí)小組成員根據(jù)氮化鋁的制取原理，進(jìn)行了如下探究．
問題1、在制取氮化鋁時由于反應(yīng)不完全，氮化鋁產(chǎn)品中所含雜質(zhì)除了碳以外還可能存在______．
問題2、為測定該產(chǎn)品中有關(guān)成分的含量，甲、乙兩同學(xué)設(shè)計了以下兩個實(shí)驗(yàn)：
（1）甲同學(xué)：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(yīng)生成NaAlO₂，并放出氨氣3.36L（標(biāo)準(zhǔn)狀況）．
①上述反應(yīng)的化學(xué)方程式為______．
②該樣品中的AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為______．
（2）乙同學(xué)：稱取10.00g樣品置于反應(yīng)器中，通入2.016L（標(biāo)準(zhǔn)狀況）O₂，在高溫下充分反應(yīng)后測得氣體的密度為1.34g?L^-1（已折成標(biāo)準(zhǔn)狀況，AlN不跟O₂反應(yīng)）．該樣品中含雜質(zhì)碳______g．
問題3、丙同學(xué)受到甲、乙同學(xué)實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，認(rèn)為測定某氮化鋁中含有碳或氧化鋁雜質(zhì)，可用圖中I的一些裝置來進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)AlN與NaOH溶液反應(yīng)所生成氨氣的體積來測定樣品中氮化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來確定雜質(zhì)的成分（實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)管體積忽略不計）

（1）實(shí)驗(yàn)有關(guān)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(yàn)裝置的氣密性；④測定收集到水的體積．
正確的操作順序?yàn)開_____．
（2）本試驗(yàn)中檢查裝置氣密性的方法是______．
（3）廣口瓶中的試劑X可最好選用______（填選項(xiàng)的標(biāo)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(shí)驗(yàn)測得NH₃的體積將______（填偏大、偏小或不變）．
（5）若實(shí)驗(yàn)中測得樣品的質(zhì)量為wg，氨氣的體積為aL（標(biāo)況下），則樣品中AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為______（AlN的式量為41）．
（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，若觀察到錐形瓶中還有固體，則樣品中含有的雜質(zhì)是______，為了測定是否含有其它雜質(zhì)，則還需要哪些簡單數(shù)據(jù)______．
問題4、丁同學(xué)認(rèn)為，丙同學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，可能因氣體體積測量不準(zhǔn)，導(dǎo)致誤差較大．建議改用圖9中的Ⅱ裝置進(jìn)行同樣實(shí)驗(yàn)，通過測定燒杯中硫酸的增重來確定樣品中AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)．你認(rèn)為是否可行？______（填入“可行”、“不可行”），原因是______．最簡單的改進(jìn)方法為______．
問題5、戊同學(xué)仔細(xì)思考了丁同學(xué)的裝置后，認(rèn)為此裝置所測測得的樣品中AlN含量偏�。�其原因是______．若忽略此原因的話，只要用圖9中的III或IV兩個裝置中的一種，只需進(jìn)行簡單而又必要的數(shù)據(jù)測定，可比較準(zhǔn)確地確定樣品中AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)．較合理的裝置為______（填代號）．你認(rèn)為戊同學(xué)的裝置是否還有缺陷？______．若有，所測結(jié)果將偏高或偏低______，應(yīng)作如何改進(jìn)？______．（若無缺陷后兩此格可不填）．

Answer 1

解：問題1、問題1：反應(yīng)物中有氧化鋁固體可能未反應(yīng)完而留在AlN中．
故答案為：氧化鋁．
問題2：（1）①由于AlN跟氫氧化鈉溶液反應(yīng)生成NaAlO₂、并放出NH₃，其反應(yīng)方程式為：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑．
故答案為：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑．
②生成NH₃的物質(zhì)的量為=0.15mo，根據(jù)氮元素守恒可知10.00g樣品中含有AlN的物質(zhì)的量為0.15mol，質(zhì)量為0.15mol×41g/mol=6.15g，該樣品中的AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為×100%=61.5%．
故答案為：61.5%．
（2）反應(yīng)產(chǎn)物可能CO₂、CO或CO₂和CO、CO₂和O₂的混合氣體，根據(jù)氣體產(chǎn)物的密度可計算出氣體產(chǎn)物的平均相對分子質(zhì)量為30，所以生成氣體必定是CO₂和CO混合氣體．設(shè)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(zhì)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(zhì)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(jìn)行，否則將可能造成藥品的浪費(fèi)，故先檢驗(yàn)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(guān)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(guān)閉分液漏斗活塞，微熱錐形瓶，廣口瓶中右側(cè)導(dǎo)管水柱上升，恒溫時水柱并不回落．
故答案為：關(guān)閉分液漏斗活塞，微熱錐形瓶，廣口瓶中右側(cè)導(dǎo)管水柱上升，恒溫時水柱并不回落．
（3）A、苯易揮發(fā)，會浪費(fèi)試劑、影響氨氣體積測定，故A不適用；
B、酒精易揮發(fā)，揮發(fā)出來的氣體對實(shí)驗(yàn)有影響，同時由于酒精易溶于水，也不能達(dá)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(jìn)行隔離，故C最好；
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(shí)驗(yàn)的目的在于測定產(chǎn)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(nèi)的液體是否充滿不影響所收集到的NH₃體積大�。�
故答案為：不變．
（5）氨氣的體積為aL（標(biāo)況下）的物質(zhì)的量為=mol，由方程式AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑可知，樣品中AlN的物質(zhì)的量為=mol，所以AlN的質(zhì)量為mol×41g/mol=g，樣品中AIN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為×100%=%．
故答案為：%．
（6）由于AlN中的雜質(zhì)可能是碳和Al₂O₃，而只碳不能與NaOH溶液反應(yīng)，此時不溶固體為碳，樣品中含有的雜質(zhì)是C．
只要知道碳的質(zhì)量與氨氣的體積，根據(jù)氨氣體積計算AlN質(zhì)量，利用碳與AlN的質(zhì)量之和與樣品質(zhì)量關(guān)系，可以確定是否含有其它雜質(zhì)．
故答案為：碳；碳的質(zhì)量．
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(zhì)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(dǎo)管的末端接一倒扣的漏斗來吸收氨氣．
故答案為：不可行；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(zhì)量的測定；在裝置之間添加盛有堿石灰的干燥管，燒杯導(dǎo)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(zhì)量（即實(shí)驗(yàn)中硫酸增重量）來推算氮化鋁的質(zhì)量．因?yàn)橛幸徊糠职睔饬粼阱F形瓶中，反應(yīng)產(chǎn)生的氨氣無法全部被稀硫酸吸收，因此實(shí)驗(yàn)測得AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)將偏小．
戊同學(xué)設(shè)計的裝置Ⅲ較合理，這是通過反應(yīng)前后總質(zhì)量減少來測定AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)．這里的干燥管作用是吸收被NH₃帶出來的水蒸氣（反應(yīng)放熱，更容易使產(chǎn)生的水蒸氣被NH₃帶走），若用IV，則NH₃被吸收，反應(yīng)前后幾無質(zhì)量差．
但戊同學(xué)仍未考慮到空氣中的水蒸氣或CO₂的進(jìn)入，否則，將造成反應(yīng)后的總質(zhì)量增大，相當(dāng)于NH₃的減少，導(dǎo)致結(jié)果偏低，故而應(yīng)再加一個同樣的干燥管．
故答案為：反應(yīng)產(chǎn)生的氨氣不可能被完全吸收；III；有； 偏低； 應(yīng)再接一個與IV裝置中完全相同的干燥管（或再接一個裝有堿石灰的干燥管也行）．
分析：問題1、根據(jù)物質(zhì)不一定完全反應(yīng)進(jìn)行判斷．
問題2、（1）①由題目信息可知，由于AlN跟氫氧化鈉溶液反應(yīng)生成NaAlO₂、并放出NH₃，據(jù)此生成方程式．
②生成0.15molNH₃，根據(jù)氮元素守恒可知10.00g樣品中含有AlN的物質(zhì)的量為0.15mol，根據(jù)m=nM計算AlN的質(zhì)量，再根據(jù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)定義計算．
（2）反應(yīng)產(chǎn)物可能CO₂、CO或CO₂和CO、CO₂和O₂的混合氣體，根據(jù)氣體產(chǎn)物的密度可計算出氣體產(chǎn)物的平均相對分子質(zhì)量為30，所以生成氣體必定是CO₂和CO混合氣體．設(shè)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(zhì)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(zhì)量．
問題3、（1）檢查裝置的氣密性往往是在加藥品前進(jìn)行，否則將可能造成藥品的浪費(fèi)．
（2）檢查氣密性的關(guān)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(guān)閉分液漏斗活塞，微熱錐形瓶，廣口瓶中右側(cè)導(dǎo)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(fèi)試劑、影響氨氣體積測定．
（4）廣口瓶內(nèi)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(zhì)的量，再根據(jù)方程式計算出AlN的物質(zhì)的量，進(jìn)而計算AlN的質(zhì)量，利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)的定義計算樣品中AIN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)．
（6）由于AlN中的雜質(zhì)可能是碳和Al₂O₃，而只碳不能與NaOH溶液反應(yīng)，此時的固體體為碳．只要知道碳的質(zhì)量與氨氣的體積，根據(jù)氨氣體積計算AlN質(zhì)量，利用碳與AlN的質(zhì)量之和與樣品質(zhì)量關(guān)系，可以確定是否含有其它雜質(zhì)．
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(zhì)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(dǎo)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(zhì)量（即實(shí)驗(yàn)中硫酸增重量）來推算氮化鋁的質(zhì)量．因?yàn)橛幸徊糠职睔饬粼阱F形瓶中，反應(yīng)產(chǎn)生的氨氣無法全部被稀硫酸吸收，因此實(shí)驗(yàn)測得AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)將偏�。�
戊同學(xué)設(shè)計的裝置Ⅲ較合理，這是通過反應(yīng)前后總質(zhì)量減少來測定AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)．這里的干燥管作用是吸收被NH₃帶出來的水蒸氣（反應(yīng)放熱，更容易使產(chǎn)生的水蒸氣被NH₃帶走），若用IV，則NH₃被吸收，反應(yīng)前后幾無質(zhì)量差．
但戊同學(xué)仍未考慮到空氣中的水蒸氣或CO₂的進(jìn)入，否則，將造成反應(yīng)后的總質(zhì)量增大，相當(dāng)于NH₃的減少，導(dǎo)致結(jié)果偏低，故而應(yīng)再加一個同樣的干燥管．
點(diǎn)評：該題為典型的樣品純度測驗(yàn)試題，并要求對已有的實(shí)驗(yàn)方案的評價，并指出方案不可行的原因以及在已有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計，理解實(shí)驗(yàn)原理是關(guān)鍵，是對所學(xué)知識的綜合運(yùn)用，需要學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)知識與綜合運(yùn)用知識分析問題、解決問題的能力，學(xué)習(xí)中全面把握基礎(chǔ)知識，難度很大．