Question

12．工業(yè)制得的氮化鋁（AlN）產(chǎn)品中常含有少量Al₄C₃、Al₂O₃、C等雜質(zhì)．某同學(xué)設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)定氮化鋁（AlN）樣品中AlN和Al₄C₃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（忽略NH₃在強(qiáng)堿性溶液中的溶解）．
（1）實(shí)驗(yàn)原理
①Al₄C₃與硫酸反應(yīng)可生成CH₄；
②AlN溶于強(qiáng)酸產(chǎn)生銨鹽，溶于強(qiáng)堿生成氨氣，請(qǐng)寫出AlN與NaOH溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑．
（2）實(shí)驗(yàn)裝置（如圖所示）

（3）實(shí)驗(yàn)過程
①連接實(shí)驗(yàn)裝置，檢驗(yàn)裝置的氣密性．稱得D裝置的質(zhì)量為yg，滴定管的讀數(shù)為amL．
②稱取xg A_lN樣品置于錐形瓶中；塞好膠塞，關(guān)閉活塞K₂、K₃，打開活塞K₁（填入該步應(yīng)進(jìn)行的操作），通過分液漏斗加入過量的稀硫酸，與燒瓶?jī)?nèi)物質(zhì)充分反應(yīng)．
③待反應(yīng)進(jìn)行完全后，關(guān)閉活塞K₁，打開活塞K₃，通過分液漏斗加入過量的NaOH溶液，與燒瓶?jī)?nèi)物質(zhì)充分反應(yīng)．
④打開活塞K₂，通入空氣一段時(shí)間（填入該步應(yīng)進(jìn)行的操作）．
⑤記錄滴定管的讀數(shù)為bmL，稱得D裝置的質(zhì)量為zg，
（4）數(shù)據(jù)分析
①AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為$\frac{41（z-y）}{17x}$×100%．
②若讀取滴定管中氣體的體積時(shí)，液面左高右低，則所測(cè)氣體的體積偏�。ㄌ睢捌�大”、“偏小”或“無影響”）．
③Al₄C₃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為$\frac{0.048（a-b）}{{V}_{m}x}$×100%．（該實(shí)驗(yàn)條件下的氣體摩爾體積為V_m）
（5）假若上述實(shí)驗(yàn)裝置氣密性良好，數(shù)據(jù)記錄也不產(chǎn)生誤差，但某同學(xué)還是認(rèn)為該方法測(cè)得Al₄C₃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)偏高，最可能的原因是B裝置分液漏斗中的稀硫酸滴入錐形瓶中會(huì)排出一部分空氣．

Answer 1

分析 從實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)步驟上看，本實(shí)驗(yàn)的原理是用足量硫酸與樣品中Al₄C₃完全反應(yīng)，測(cè)量生成的甲烷氣體，從而可測(cè)得Al₄C₃的百分含量；用足量NaOH溶液與樣品中AlN完全反應(yīng)，用濃硫酸充分吸收生成的氨氣，并稱量其質(zhì)量，從而求得AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)．
（1）②AlN水解得到氫氧化鋁與氨氣，氫氧化鋁與NaOH溶液反應(yīng)生成偏鋁酸鈉；
（3）關(guān)閉活塞K₂、K₃，打開活塞 K₁，通過分液漏斗加入過量的稀硫酸，與燒瓶?jī)?nèi)物質(zhì)充分反應(yīng)，測(cè)量生成甲烷氣體的體積．待反應(yīng)進(jìn)行完全后，關(guān)閉活塞K₁，打開活塞K₃，通過分液漏斗加入過量的NaOH溶液，與燒瓶?jī)?nèi)物質(zhì)充分反應(yīng)，由于裝置中殘留部分氨氣，打開K₂，通入空氣一段時(shí)間，排盡裝置的氨氣，被裝置D完全吸收，測(cè)定生成氨氣質(zhì)量；
（4）①根據(jù)氮原子的守恒，氨氣的物質(zhì)的量等于AlN的物質(zhì)的量，可求得AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；
②讀取滴定管中氣體的體積時(shí)，液面左高右低，氣體的壓強(qiáng)大于大氣壓，測(cè)定氣體甲烷的體積偏��；
②根據(jù)碳原子的守恒，Al₄C₃的物質(zhì)的量等于甲烷的物質(zhì)的量的三分之一，可求得Al₄C₃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；
（5）B裝置分液漏斗中的稀硫酸滴入錐形瓶中會(huì)排出一部分空氣，按甲烷的體積進(jìn)行了測(cè)定．

解答 解：從實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)步驟上看，本實(shí)驗(yàn)的原理是用足量硫酸與樣品中Al₄C₃完全反應(yīng)，測(cè)量生成的甲烷氣體，從而可測(cè)得Al₄C₃的百分含量；用足量NaOH溶液與樣品中AlN完全反應(yīng)，用濃硫酸充分吸收生成的氨氣，并稱量其質(zhì)量，從而求得AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)．
（1）②AlN水解得到氫氧化鋁與氨氣，氫氧化鋁與NaOH溶液反應(yīng)生成偏鋁酸鈉，總反應(yīng)方程式為：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑，
故答案為：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑；
（3）關(guān)閉活塞K₂、K₃，打開活塞 K₁，通過分液漏斗加入過量的稀硫酸，與燒瓶?jī)?nèi)物質(zhì)充分反應(yīng)，測(cè)量生成甲烷氣體的體積．待反應(yīng)進(jìn)行完全后，關(guān)閉活塞K₁，打開活塞K₃，通過分液漏斗加入過量的NaOH溶液，與燒瓶?jī)?nèi)物質(zhì)充分反應(yīng)，由于裝置中殘留部分氨氣，打開K₂，通入空氣一段時(shí)間，排盡裝置的氨氣，被裝置D完全吸收，防止測(cè)定的氨氣的質(zhì)量偏小，測(cè)定生成氨氣質(zhì)量，
故答案為：關(guān)閉活塞K₂、K₃，打開活塞K₁；打開活塞K₂，通入空氣一段時(shí)間；
（4）①氨氣的質(zhì)量為（z-y）g，物質(zhì)的量為$\frac{（z-y）g}{17g/mol}$=$\frac{z-y}{17}$mol，根據(jù)氮原子的守恒，氨氣的物質(zhì)的量等于AlN的物質(zhì)的量，所以AlN的質(zhì)量為$\frac{z-y}{17}$mol×41g/mol=$\frac{41（z-y）}{17}$g，故AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為$\frac{\frac{41（z-y）}{17}g}{xg}$×100%=$\frac{41（z-y）}{17x}$×100%，
故答案為：$\frac{41（z-y）}{17x}$×100%；
②讀取滴定管中氣體的體積時(shí)，液面左高右低，氣體的壓強(qiáng)大于大氣壓，測(cè)定氣體甲烷的體積偏小，
故答案為：偏小．
③甲烷的體積為（a-b）mL，物質(zhì)的量為$\frac{（a-b）×1{0}^{-3}L}{{V}_{m}L/mol}$=$\frac{（a-b）}{{V}_{m}}$×10^-3mol，根據(jù)碳原子的守恒，Al₄C₃的物質(zhì)的量等于甲烷的物質(zhì)的量的三分之一，所以Al₄C₃的質(zhì)量為$\frac{1}{3}$×$\frac{（a-b）}{{V}_{m}}$×10^-3mol×144g/mol=$\frac{48（a-b）}{{V}_{m}}$×10^-3g，Al₄C₃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為$\frac{\frac{48（a-b）}{{V}_{m}}×1{0}^{-3}g}{xg}$×100%=$\frac{0.048（a-b）}{{V}_{m}x}$×100%，
故答案為：$\frac{0.048（a-b）}{{V}_{m}x}$×100%；
（5）B裝置分液漏斗中的稀硫酸滴入錐形瓶中會(huì)排出一部分空氣，也按甲烷的體積進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)得Al₄C₃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)偏高，
故答案為：B裝置分液漏斗中的稀硫酸滴入錐形瓶中會(huì)排出一部分空氣．

點(diǎn)評(píng) 本題考查對(duì)實(shí)驗(yàn)原理與操作步驟的理解、化學(xué)計(jì)算、物質(zhì)組成的測(cè)定等，難度較大，是對(duì)所需知識(shí)的綜合運(yùn)用，需要學(xué)生具有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)與分析問題、解決問題的能力，理解實(shí)驗(yàn)原理是解答的關(guān)鍵．