Question

13．含鎂3%～5%的鎂鋁合金是輪船制造、化工生產、機械制造等行業的重要原材料．現有一塊質量為wg的鎂鋁合金，某研究性學習小組欲測定其中鎂的質量分數．
【查閱資料】已知鋁與NaOH溶液反應生成易溶于水的偏鋁酸鈉（NaAl0₂）和H₂，化學方程式：2Al+2NaOH+2H₂O═2NaAlO₂+3H₂↑；鎂不與NaOH溶液反應．氫氧化鋁能與氫氧化鈉溶液發生反應生成易溶于水的偏鋁酸鈉（NaAlO₂）和H₂O，化學方程式為：Al（OH）₃+NaOH═NaAlO₂+2H₂O；氫氧化鎂不與氫氧化鈉溶液反應．
【提出猜想】利用鎂鋁與酸、鋁與堿、氫氧化鋁與堿反應的化學性質來測定合金中鎂的質量分數．
【設計方案】研究小組設計了不同的實驗方案．
方案1：鎂鋁合金與過量鹽酸反應測定生成氣體在標準狀況下的體積為V₁L；
方案2：鎂鋁合金與過量的NaOH溶液充分反應后，過濾、洗滌、干燥、稱量剩余固體的質量為w₁g；
方案3：鎂鋁合金與過量鹽酸溶液反應后再與過量NaOH溶液反應，過濾、洗滌、干燥、稱量沉淀的質量為w₂g
【問題討論】請你參與研究小組的研究過程，并回答有關問題：
（1）研究小組利用如圖所示實驗裝置，按照方案1進行了實驗．
①裝置中儀器a的名稱是圓底燒瓶．
②實驗裝置中有一處明顯錯誤，請指出廣口瓶中進氣導管插入水中；排水導管未插至廣口瓶底部．
（2）方案2中剩余固體是鎂；若方案2進行實驗，測得鎂的質量分數為$\frac{{W}_{1}}{W}$×100%．
（3）方案3中“過濾”得到的沉淀是氫氧化鎂．
（4）某同學又設計了與上述方案原理不同的方案4，也能測得鎂的質量分數．請你在橫線上填寫合適的內容，將該方案補充完整．
方案4：鎂鋁合金與過量NaOH溶液反應測定生成氣體在標準狀況下的體積為V₂L．
【方案評價】
（5）在實驗方案1～4中你認為最佳的實驗方案是方案2．

Answer 1

分析 一般情況下，活潑金屬、金屬氧化物和堿只能和稀酸溶液反應，不能和堿溶液反應，但金屬鋁、氧化鋁和氫氧化鋁既能和酸溶液反應，也能和強堿溶液反應，因此利用這一點來證明鎂鋁合金中鎂的質量分數．

解答 解：（1）①根據圖示不難看出，儀器a指的是圓底燒瓶，故答案為：圓底燒瓶
②由于是根據排出的水的體積來測定生成的氣體的體積，因此廣口瓶中的進氣管應剛露出橡皮塞，而出氣管應伸入到瓶底，故答案為：“廣口瓶中進氣導管插入水中；排水導管未插至廣口瓶底部
（2）由于方案2是在鎂鋁合金中加入過量的氫氧化鈉溶液反應，只有金屬鋁可以和氫氧化鈉溶液反應生成易溶于水的偏鋁酸鈉和氫氣，而鎂不參與反應，因此剩余固體是金屬鎂，鎂的質量是W₁g，因此合金中鎂的質量分數為：$\frac{{W}_{1}}{W}$×100%，故答案為：鎂，$\frac{{W}_{1}}{W}$×100%；
（3）由于金屬鎂和鋁首先和稀鹽酸反應生成氯化鎂和氯化鋁，而氯化鎂和氫氧化鈉溶液反應生成難溶性的氫氧化鎂和氯化鈉，氯化鋁和氫氧化鈉溶液反應會生成難溶性的氫氧化鋁和氯化鈉，但是氫氧化鋁沉淀還能夠繼續和氫氧化鈉溶液反應生成易溶于水的偏鋁酸鈉和水，因此最后得到的沉淀是氫氧化鎂，故答案為：氫氧化鎂
（4）根據題意不難知道，合金中的金屬鋁可以和氫氧化鈉溶液反應生成氫氣，而鎂不能，因此可以通過金屬鋁和氫氧化鈉溶液反應生成的氫氣的體積也可以計算出結果，故答案為：過量NaOH溶液
（5）在這四個方案中，只有方案2中測得的固體的質量就是金屬鎂的質量，而其他的方案中還得通過化學反應進行計算才能得出金屬鎂的質量，從而計算得出結果，故答案為：方案2．

點評 本題難度較大，主要考查了某些金屬的化學性質及有關的化學方程式的計算，培養學生的分析能力和理解能力．