Question

15．工業制得的氮化鋁（AlN）產品中常含有少量Al₄C₃、Al₂O₃、C等雜質．某同學設計了如下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
①Al₄C₃與硫酸反應可生成CH₄．
②AlN溶于強酸產生銨鹽，溶于強堿生成氨氣，請寫出AlN與過量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xg AlN樣品置于裝置B瓶中；塞好膠塞，關閉活塞K₂、K₃，打開活塞K₁，通過分液漏斗加入稀硫酸，與裝置B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），與裝置B瓶內物質充分反應．
④打開K2，通入空氣一段時間 （填入該步應進行的操作）．
⑤記錄滴定管的讀數為bmL，稱得D裝置的質量為zg．
（4）數據分析（已知：該實驗條件下的氣體摩爾體積為V_m L•mol^-1）
①Al₄C₃的質量分數為$\frac{0.048（a-b）}{{V}_{m}x}$×100%．
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”）．
③AlN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）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，故應關閉活塞K₂、K₃，打開活塞 K₁；
③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，故應關閉活塞K₁，打開活塞K₃；
④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；
（4）①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；
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��；
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．

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）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，故應關閉活塞K₂、K₃，打開活塞 K₁，
故答案為：K₂、K₃； K₁；
③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，故應關閉活塞K₁，打開活塞K₃，故答案為：K₁；K₃；NaOH；
④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；
（4）①甲烷的體積為（a-b）mL，物質的量為$\frac{（a-b）×1{0}^{-3}}{{V}_{m}}$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$\frac{1}{3}$×$\frac{（a-b）×1{0}^{-3}}{{V}_{m}}$mol×144g/mol=$\frac{48（a-b）×1{0}^{-3}}{{V}_{m}}$g，Al₄C₃的質量分數為$\frac{0.048（a-b）}{{V}_{m}x}$×100%，
故答案為：$\frac{0.048（a-b）}{{V}_{m}x}$×100%．
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%，
故答案為：$\frac{41（z-y）}{17x}$×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，難度較大．