Question

18．氮化鋁（AlN）陶瓷是一種類金剛石氮化物的新型無機非金屬材料，最高可穩定到2200°C，導熱性好，熱膨脹系數小，是良好的耐熱沖擊材料．抗熔融金屬侵蝕的能力強，是熔鑄純鐵、鋁或鋁合金理想的坩堝材料．工業用氮化鋁（AlN）產品中常含有少量Al₄C₃、AlO₃、C等雜質．現要通過實驗分別測定氮化鋁（AlN）樣品中AlN和Al₄C₃的質量分數（忽略NH₃在強堿性溶液中的溶解）．
（1）實驗原理
①已知Al₄C₃與硫酸反應可生成CH₄，則該反應的離子方程式是Al₄C₃+12H⁺=4Al³⁺+3CH₄↑．
②AlN溶于強酸生成銨鹽，溶于氫氧化鈉溶液生成氨氣，請寫出AlN與NaOH溶液反應的化學方程式AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑．
（2）實驗裝置（如圖所示）

（3）實驗過程
①連接實驗裝置，檢驗裝置的氣密性．稱得D裝置的質量為yg，滴定管的讀數為amL．
②稱取xgAlN樣品置于錐形瓶中；塞好膠塞，關閉活塞K₂、K₃，打開活塞K₁，通過分液漏斗加入過量H₂SO₄（填化學式），與錐形瓶內物質充分反應．
③待反應進行完全后，關閉活塞K₁，打開活塞K₃，通過分液漏斗加入過量NaOH（填化學式），與錐形瓶內物質充分反應．
④打開K₂，通過打氣裝置通入空氣一段時間．
⑤記錄滴定管的讀數為bmL，稱得D裝置的質量為zg．
（4）數據處理與問答
①在上述裝置中，設置活塞K₂的目的是打開K₂，通入空氣一段時間，排盡裝置的氨氣，被裝置D完全吸收．
②若讀取滴定管中氣體的體積時，液面左高右低，則所測氣體的體積偏小（填“偏大”，“偏小”或“無影響”）．
③Al₄C₃的質量分數為$\frac{0.048（a-b）}{Vmx}$×100%，AlN的質量分數為$\frac{41（Z-Y）}{17X}$×100%．

Answer 1

分析 從實驗裝置和實驗步驟上看，本實驗的原理是用足量硫酸與樣品中Al₄C₃完全反應，量取生成的甲烷氣體，從而可測得Al₄C₃的百分含量；用足量NaOH溶液與樣品中AlN完全反應，充分吸收生成的氨氣，并稱量其質量，從而求得AlN的質量分數，以此分析解答；
（1）①Al₄C₃與硫酸反應可生成CH₄和硫酸鋁；
②根據題目信息：AlN溶于強堿溶液時會生成NH₃來書寫方程式；
（3）②關閉活塞K₂、K₃，打開活塞 K₁，通過分液漏斗加入稀硫酸，硫酸與樣品中Al₄C₃完全反應，量取生成的甲烷氣體，從而測得Al₄C₃的百分含量；
③關閉活塞K₁，打開活塞K₃，用足量NaOH溶液與樣品中AlN完全反應，充分吸收生成的氨氣，并稱量其質量；
（4）①通入空氣一段時間，排盡裝置的氨氣，被裝置D完全吸收；
②讀取滴定管中氣體的體積時，液面左高右低，氣體的壓強大于大氣壓，測定氣體甲烷的體積偏小；
③根據碳原子的守恒，Al₄C₃的物質的量等于甲烷的物質的量的三分之一，可求得Al₄C₃的質量分數，根據氮原子的守恒，氨氣的物質的量等于AlN的物質的量，可求得AlN的質量分數．

解答 解：從實驗裝置和實驗步驟上看，本實驗的原理是用足量硫酸與樣品中Al₄C₃完全反應，量取生成的甲烷氣體，從而可測得Al₄C₃的百分含量；用足量NaOH溶液與樣品中AlN完全反應，充分吸收生成的氨氣，并稱量其質量，從而求得AlN的質量分數；
（1）①碳化鋁（Al₄C₃）與水反應生成氫氧化鋁和甲烷，碳化鋁與硫酸反應可理解為碳化鋁（Al₄C₃）與水反應，產物再和硫酸反應，所以產物為硫酸鋁和甲烷，反應方程式為：Al₄C₃+6H₂SO₄=2Al₂（SO₄）₃+3CH₄↑，離子方程式為：Al₄C₃+12H⁺=4Al³⁺+3CH₄↑，
故答案為：Al₄C₃+12H⁺=4Al³⁺+3CH₄↑；
②根據題目信息：AlN溶于強堿溶液時會生成NH₃，化學方程式為：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑，故答案為：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑；
（3）②關閉活塞K₂、K₃，打開活塞 K₁，通過分液漏斗加入稀硫酸，硫酸與樣品中Al₄C₃完全反應，量取生成的甲烷氣體，從而測得Al₄C₃的百分含量，
故答案為：H₂SO₄；
③關閉活塞K₁，打開活塞K₃，用足量NaOH溶液與樣品中AlN完全反應，充分吸收生成的氨氣，并稱量其質量，故答案為：NaOH；
（4）①裝置中殘留部分氨氣，打開K₂，通入空氣一段時間，排盡裝置的氨氣，被裝置D完全吸收，防止測定的氨氣的質量偏小，
故答案為：打開K₂，通入空氣一段時間，排盡裝置的氨氣，被裝置D完全吸收；
②讀取滴定管中氣體的體積時，液面左高右低，氣體的壓強大于大氣壓，測定氣體甲烷的體積偏小，故答案為：偏小；
③氨氣的質量為（z-y）g，物質的量為$\frac{Z-Y}{17}$mol，根據氮原子的守恒，氨氣的物質的量等于AlN的物質的量，所以AlN的質量為$\frac{Z-Y}{17}$mol×41g/mol=$\frac{41（Z-Y）}{17}$g，故AlN的質量分數為$\frac{\frac{41（Z-Y）}{17}}{X}$×100%=$\frac{41（Z-Y）}{17X}$×100%，
甲烷的體積為（a-b）mL，物質的量為$\frac{（a-b）×1{0}^{-3}}{Vm}$mol，根據碳原子的守恒，Al₄C₃的物質的量等于甲烷的物質的量的三分之一，所以Al₄C₃的質量為$\frac{1}{3}$×$\frac{（a-b）×1{0}^{-3}}{Vm}$mol×144g/mol=$\frac{48（a-b）×1{0}^{-3}}{Vm}$g，Al₄C₃的質量分數為$\frac{0.048（a-b）}{Vmx}$×100%，
故答案為：$\frac{0.048（a-b）}{Vmx}$×100%；$\frac{41（Z-Y）}{17X}$×100%．

點評 本題是一道關于物質的組成和含量測定知識的綜合考查題，要求學生具有分析和解決問題的能力，難度大．