Question

2．氮化鋁（AlN）是一種新型無機非金屬材料，其制取原理為：
Al₂O₃+3C+N₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2AlN+3CO．在制取氮化鋁時由于反應不完全，產品中有氧化鋁和碳．
為了分析某AlN樣品的組成，某實驗小組進行了如下探究．
【實驗1】測定樣品中氮元素的質量分數．
取一定量的樣品，用以下裝置測定樣品中AlN的純度（夾持裝置已略去）．

已知：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑
（1）如圖C裝置中球形干燥管的作用是防倒吸．
（2）完成以下實驗步驟：組裝好實驗裝置，首先檢查裝置氣密性，再加入實驗藥品．然后關閉K₁，打開K₂；把裝置中殘留的氨氣全部趕入C裝置，
打開分液漏斗活塞，加入NaOH濃溶液，至不再產生氣體．打開K₁，緩緩通入氮氣一段時間，測定C裝置反應前后的質量變化．通入氮氣的目的是把裝置中殘留的氨氣全部趕入C裝置．
（3）若去掉裝置B，則導致測定結果偏高（填“偏高”、“偏低”或“無影響”）．由于上述裝置還存在缺陷，導致測定結果偏高，請提出改進意見C裝置出口處連接一個干燥裝置．
【實驗2】按以下步驟測定樣品中鋁元素的質量分數．

（4）步驟②生成沉淀的離子方程式為CO₂+AlO₂^-+2H₂O=HCO₃^-+Al（OH）₃↓．
（5）操作③需要的玻璃儀器有漏斗、玻璃棒及燒杯．
（6）A1元素的質量分數為$\frac{{9{m_2}}}{{17{m_1}}}×100%$（用m₁、m₂表示）．
【實驗3】測定樣品中碳元素的質量分數．
稱取10.00g樣品置于反應器中，通往2.24LO₂，在高溫下充分反應后得到3.36L氣體（AlN不跟O₂反應），測得其密度為1.61g•L^-1（體積及密度均已換算成標準狀況）．
（7）計算該樣品中碳元素的質量分數16%．

Answer 1

分析 [實驗1]
測定原理是通過測定A1N+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑反應生成氨氣的質量來計算氮化鋁的含量，則A中發生的反應為A1N+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑，生成的氨氣被堿石灰干燥，然后將氨氣通入稀硫酸中被硫酸吸收生成硫酸銨，通入的氮氣能將生成的氨氣完全排出；
（1）氨氣極易溶于水和稀硫酸，緩沖裝置能防止倒吸；
（2）組裝好實驗裝置，氣體制備需要先檢查裝置氣密性，加入實驗藥品．接下來的實驗操作是關閉K₁，打開K₂，打開分液漏斗活塞，加入NaOH濃溶液，至不再產生氣體．打開K₁，通入氮氣一段時間，測定C裝置反應前后的質量變化．通入氮氣的目的是，反應生成氨氣后把裝置中的氣體全部趕入裝置C被濃硫酸吸收，準確測定裝置C的增重計算；
（3）濃硫酸具有吸水性，能吸收氨氣中的水蒸氣；濃硫酸能吸收空氣中的水蒸氣；
[實驗2]
測定原理是通過測定A1N+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑反應生成氨氣的體積來計算氮化鋁的含量，樣品溶液過量NaOH溶液，發生反應A1N+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑，向濾液中通入過量二氧化碳，發生的反應為CO₂+AlO₂^-+2H₂O=HCO₃^-+Al（OH）₃↓，然后過濾，得到的濾渣為Al（OH）₃，煅燒濾渣，發生反應2Al（OH）₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Al₂O₃+3H₂O，
（4）偏鋁酸鈉和過量二氧化碳反應生成氫氧化鋁沉淀和碳酸氫鈉；
（5）過濾時需要的玻璃儀器有漏斗、玻璃棒及燒杯；
（6）根據Al原子守恒計算；                
[實驗3]
（7）氣體產物的平均摩爾質量=1.61g•L^-1×22.4L/mol=36g/mol，氧氣不足，生成氣體是CO和CO₂混合氣體，CO與CO₂的物質的量之比為（44-36）：（36-28）=1：1，氧氣的物質的量為$\frac{2.24L}{22.4L/mol}$=0.1mol，
設CO₂為y mol，由氧原子守恒：y+2y=0.1×2，
解得x=$\frac{0.2}{3}$
故碳元素質量為（$\frac{0.2}{3}$mol+$\frac{0.2}{3}$mol）×12g/mol=1.6g，
C元素質量分數=$\frac{C元素質量}{樣品質量}$．

解答 解：[實驗1]
測定原理是通過測定A1N+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑反應生成氨氣的質量來計算氮化鋁的含量，則A中發生的反應為A1N+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑，生成的氨氣被堿石灰干燥，然后將氨氣通入稀硫酸中被硫酸吸收生成硫酸銨，通入的氮氣能將生成的氨氣完全排出；
（1）氨氣極易溶于水和稀硫酸，緩沖裝置能防止倒吸，導致的干燥管有緩沖作用，所以能防止倒吸，
故答案為：防倒吸；
（2）有連接的裝置在使用前必須檢查裝置氣密性，所以該實驗之前必須檢驗裝置氣密性；然后加入藥品，將關閉K₁，打開K₂同時打開分液漏斗的活塞，從而發生A中的反應；通入的氮氣能把裝置中殘留的氨氣全部趕入C裝置，否則易導致測定結果偏小，
故答案為：檢查裝置氣密性；關閉K₁，打開K₂；把裝置中殘留的氨氣全部趕入C裝置；
（3）濃硫酸具有吸水性，能吸收氨氣中的水蒸氣，如果去掉裝置B，則氨氣中的水蒸氣被濃硫酸吸收而導致測定結果偏大；C裝置直接連接空氣，濃硫酸能吸收空氣中的水蒸氣而導致測定結果偏高，其改進措施為C裝置出口處連接一個干燥裝置，
故答案為：偏高；C裝置出口處連接一個干燥裝置；
[實驗2]
測定原理是通過測定A1N+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑反應生成氨氣的體積來計算氮化鋁的含量，樣品溶液過量NaOH溶液，發生反應A1N+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑，向濾液中通入過量二氧化碳，發生的反應為CO₂+AlO₂^-+2H₂O=HCO₃^-+Al（OH）₃↓，然后過濾，得到的濾渣為Al（OH）₃，煅燒濾渣，發生反應 2Al（OH）₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Al₂O₃+3H₂O，
（4）偏鋁酸鈉和過量二氧化碳反應生成氫氧化鋁沉淀和碳酸氫鈉，離子方程式為CO₂+AlO₂^-+2H₂O=HCO₃^-+Al（OH）₃↓，
故答案為：CO₂+AlO₂^-+2H₂O=HCO₃^-+Al（OH）₃↓；
（5）過濾時需要的玻璃儀器有漏斗、玻璃棒及燒杯，故答案為：漏斗、玻璃棒和燒杯；
（6）根據Al原子守恒得n（Al）=2n[Al₂O₃]，所以m（Al）=$\frac{{m}_{2}g}{102g/mol}$=$\frac{27{m}_{2}}{51}$g，則Al元素質量分數=$\frac{\frac{27{m}_{2}}{51}g}{{m}_{1}g}$×100%=$\frac{{9{m_2}}}{{17{m_1}}}×100%$，
故答案為：$\frac{{9{m_2}}}{{17{m_1}}}×100%$；                
[實驗3]
（7）氣體產物的平均摩爾質量=1.61g•L^-1×22.4L/mol=36g/mol，氧氣不足，生成氣體是CO和CO₂混合氣體，
CO與CO₂的物質的量之比為（44-36）：（36-28）=1：1，
氧氣的物質的量為$\frac{2.24L}{22.4L/mol}$=0.1mol，
設CO₂為y mol，由氧原子守恒：y+2y=0.1×2，
解得x=$\frac{0.2}{3}$
故碳元素質量為（$\frac{0.2}{3}$mol+$\frac{0.2}{3}$mol）×12g/mol=1.6g，
樣品中碳元素的質量分數為$\frac{C元素質量}{樣品質量}$=$\frac{1.6g}{10g}$×100%=16%，
故答案為：16%．

點評 本題考查物質制備、物質含量測定等知識點，為高頻考點，涉及質量分數計算、基本實驗操作、尾氣處理、誤差分析等知識點，明確實驗原理、實驗基本操作等知識點即可解答，難點是實驗誤差分析，題目難度中等．