Question

20．超細氮化鋁粉末（AlN）被廣泛應用于大規模集成電路生產領域．其制取原理為：Al₂O₃+3C+N₂ $\stackrel{高溫}{→}$2AlN+3CO．已知氮化鋁能與水反應生成氫氧化鋁和氨氣．
（1）某化學研究性學習小組認為在制取氮化鋁時由于反應不完全，氮化鋁產品中可能存在碳、氧化鋁等雜質．為測定氮化鋁樣品中AlN的含量，甲、乙兩同學設計了以下兩個實驗：
I．甲同學設計測定氨氣的質量，可能需要的儀器和試劑如下：

（2）請寫出發生裝置如圖1中產生氨氣的化學方程式：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑
（3）請選擇合適的藥品和裝置，按氣流方向連接各裝置，其順序為：B→D→C→E
II．乙同學設計通過以下裝置測定氨氣的體積
（4）如圖2量氣管中的試劑X可選用ac（填選項的標號）．
a．苯       b．酒精    c．植物油    d．CCl₄
（5）若量氣管中的液體沒有裝滿（上方留有少量空間），實驗測    得NH₃的體積將不變（填偏大、偏小或不變）．若讀數時，量氣管中的液面低于水準管的液面，實驗測得NH₃的體積將偏小．（填“偏大”、“偏小”或“不變”）．
（6）若樣品為mg，氨氣的體積為a mL（標況下），則樣品中AlN的質量分數為$\frac{41a}{224w}$%．

Answer 1

分析 I．（1）制備反應原理可知，Al₂O₃+3C+N₂ $\stackrel{高溫}{→}$2AlN+3CO，若反應不完全，會含有固體雜質碳、氧化鋁；
（2）由題目信息可知，由于AlN跟氫氧化鈉溶液反應生成NaAlO₂、并放出NH₃，據此生成方程式；
（3）根據實驗原理，測定氨氣的質量，可以先用堿溶液與樣品反應，將生成的氨氣先用堿石灰干燥，再用濃硫酸吸收，為防止空氣的水份被濃硫酸吸收，在濃硫酸裝置后面再連一個裝有堿石灰 的干燥管；
II．（4）圖2是用排液體的量氣方法，由于氨氣極易溶于水，所以在水的上面應放少量有機物，該有機物的密度應小于水；
（5）若量氣管中的液體上方留有少量空間對測得NH₃的體積將沒有影響，讀數時應保持量氣管和水準管兩邊的液面高度一樣，如果量氣管中的液面低于水準管的液面，則產生的氨氣的受到的壓強大于空氣中的壓強，使測得NH₃的體積會偏小；
（6）計算出氨氣的體積為amL（標況下）的物質的量，再根據方程式計算出AlN的物質的量，進而計算AlN的質量，利用質量分數的定義計算樣品中AIN的質量分數．

解答 解：I．（1）制備反應原理可知，Al₂O₃+3C+N₂ $\stackrel{高溫}{→}$2AlN+3CO，若反應不完全，會含有固體雜質碳、氧化鋁，故答案為：碳；氧化鋁；
（2）由于AlN跟氫氧化鈉溶液反應生成NaAlO₂、并放出NH₃，其反應方程式為：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑，故答案為：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑；
（3）根據實驗原理，測定氨氣的質量，可以先用堿溶液與樣品反應，將生成的氨氣先用堿石灰干燥，再用濃硫酸吸收，為防止空氣的水份被濃硫酸吸收，在濃硫酸裝置后面再連一個裝有堿石灰 的干燥管，所以按氣流方向連接各裝置，其順序為：B→D→C→E，
故答案為：B；D；C；
II．（4）圖2是用排液體的量氣方法，由于氨氣極易溶于水，所以在水的上面應放少量有機物，該有機物的密度應小于水且難溶于水，故選ac；
（5）若量氣管中的液體上方留有少量空間對測得NH₃的體積將沒有影響，讀數時應保持量氣管和水準管兩邊的液面高度一樣，如果量氣管中的液面低于水準管的液面，則產生的氨氣的受到的壓強大于空氣中的壓強，使測得NH₃的體積會偏小，
故答案為：不變；偏小；
（6）氨氣的體積為amL（標況下）的物質的量為 $\frac{a×10{\;}^{-3}L}{22.4L/mol}$=$\frac{a×1{0}^{-3}}{22.4}$mol，由方程式AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑可知，樣品中AlN的物質的量為$\frac{a}{22.4}$×10^-3 mol，所以AlN的質量為 $\frac{a}{22.4}$×10^-3mol×41g/mol=$\frac{41a×1{0}^{-3}}{22.4}$g，樣品中AIN的質量分數為$\frac{\frac{41a×1{0}^{-3}}{22.4}}{w}$×100%=$\frac{41a}{224w}$%，
故答案為：$\frac{41a}{224w}$%．

點評 該題為典型的樣品純度測驗試題，并要求對已有的實驗方案的評價，并指出方案不可行的原因以及在已有實驗的基礎上進行新的實驗設計，理解實驗原理是關鍵，是對所學知識的綜合運用，需要學生具備扎實的基礎知識與綜合運用知識分析問題、解決問題的能力，學習中全面把握基礎知識，難度很大．