Question

13．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℃．導熱性好，熱膨脹系數小，是良好的耐熱沖擊材料．氮化鋁還是電絕緣體，介電性能良好，用作電器元件也很有希望．超細氮化鋁粉末被廣泛應用于大規模集成電路生產領域．其制取原理為：③Al₂O₃+3C+N₂ $\stackrel{高溫}{→}$2AlN+3CO
完成下列問題：
（1）根據上述信息，判斷AlN的晶體類型是原子晶體，在制取氮化鋁時由于反應不完全，氮化鋁產品中所含雜質除了碳以外還可能存在Al₂O₃；
（2）為測定該產品中有關成分的含量，甲、乙兩同學設計了以下兩個實驗：
①甲同學：稱取10.00g樣品，將其加入過量的氫氧化鈉溶液中共熱并蒸干，AlN跟氫氧化鈉溶液反應生成NaAlO₂，并放出氨氣3.36L（標準狀況）．上述反應的化學方程式為AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑，該樣品中AlN的質量分數61.5%；
②乙同學：稱取10.00g樣品置于反應器中，通入2.016L（標準狀況）O₂，在高溫下充分反應（O₂消耗完）后測得氣體的密度為1.34g•L^-1（已折成標準狀況，AlN不跟O₂反應），該樣品中含雜質碳1.92g．
（3）丙同學受到甲、乙同學實驗的啟發，認為測定某氮化鋁中含有碳或氧化鋁雜質，可用圖9中I的一些裝置來進行檢驗，根據AlN與NaOH溶液反應所生成氨氣的體積來測定樣品中氮化鋁的質量分數，并根據實驗現象來確定雜質的成分（實驗中導管體積忽略不計）實驗有關操作為：①往錐形瓶中放入適量的AlN樣品：②從分液漏斗往錐形瓶中加入過量的濃NaOH；③檢驗裝置的氣密性；④測定收集到水的體積．正確的操作順序為c、a、b、d；
①廣口瓶中的試劑X可選用C（填選項的標號）；
A．苯         B．酒精          C．植物油          D．CCl₄
②若實驗中測得樣品的質量為wg，氨氣的體積為aL（標況下），則樣品中AlN的質量分數為$\frac{4100a}{22.4w}$%；
（4）丁同學認為，丙同學的實驗方法，可能因氣體體積測量不準，導致誤差較大．建議改用圖9中的Ⅱ裝置進行同樣實驗，通過測定燒杯中硫酸的增重來確定樣品中AlN的質量分數．你認為是否可行？不可行（填入“可行”、“不可行”），改進方法為在裝置之間添加盛有堿石灰的干燥管，燒杯導管的末端接一倒扣的漏斗來吸收氨氣．

Answer 1

分析 （1）依據題干信息“類金剛石氮化物”，通過硅類推AlN的晶體類型為原子晶體；根據物質不一定完全反應進行判斷；
（2）①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，據此得到方程式．
生成0.15molNH₃，根據氮元素守恒可知10.00g樣品中含有AlN的物質的量為0.15mol，根據m=nM計算AlN的質量，再根據質量分數定義計算；
②反應產物可能CO₂、CO或CO₂和CO、CO₂和O₂的混合氣體，根據氣體產物的密度可計算出氣體產物的平均相對分子質量為30，所以生成氣體必定是CO₂和CO混合氣體．設混合氣體中含有CO₂xmol，CO ymol，根據氧原子守恒和平均相對分子質量的計算，列放出計算x、y的值，樣品中n（C）=（x+y）mol，據此計算樣品中碳的質量；
（3）制取氣體時，為防止裝置漏氣應在連接裝置后立即進行裝置氣密性檢查，確定裝置不漏氣后，本著先加固體后加液體的原則加入藥品；最后進行氣體的收集與測量；
①產生的氨氣極易溶于水，為防止氨氣溶于水需要把氣體與水隔離，因此應選擇不能與氨氣產生作用的液體作為隔離液；選用的試劑應是和水不互溶，且密度大于水的；②計算出氨氣的體積為aL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；
（4）II中NH₃極易被吸收，發生倒吸現象，同時氨氣中含有水蒸氣，影響氨氣質量的測定，所以不可行．所作的改正為：在裝置之間添加盛有堿石灰的干燥管，燒杯導管的末端接一倒扣的漏斗來吸收氨氣．

解答 解：（1）依據題干信息“類金剛石氮化物”，通過硅類推AlN的晶體類型為原子晶體；反應物中有氧化鋁固體可能未反應完而留在AlN中，
故答案為：原子晶體；Al₂O₃；
（2）①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↑，生成NH₃的物質的量為$\frac{3.36L}{22.4L/mol}$=0.15mol，根據氮元素守恒可知10.00g樣品中含有AlN的物質的量為0.15mol，AlN的質量為0.15mol×41g/mol=6.15g，樣品中AlN的質量分數為$\frac{6.15g}{10.0g}$×100%=61.5%，
故答案為：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑；61.5%；
②反應產物可能CO₂、CO或CO₂和CO、CO₂和O₂的混合氣體，根據氣體產物的密度可計算出氣體產物的平均相對分子質量為30，所以生成氣體必定是CO₂和CO混合氣體．設混合氣體中含有CO₂xmol，CO ymol，根據氧原子守恒有2x+y=0.18…①，根據平均相對分子質量有44x+28y=30（x+y）…②，聯立方程解得：x=0.02，y=0.14．所以，樣品中C的質量為（0.02+0.14）×12=1.92g，故答案為：1.92；
（3）應先進行裝置氣密性檢驗，然后依次加入固體藥品、液體藥品，最后進行氣體排出水的測量，確定產生氣體體積；
故答案為：c、a、b、d；
①苯易揮發，酒精易揮發，揮發出來的氣體對實驗有影響，同時由于酒精易溶于水，也不能達到隔離的目的；CCl₄密度大于水，不能起到隔離作用．而植物油既不溶于水，密度小于水也不易揮發，可以把氨氣與水進行隔離；
故答案為：C；
②氨氣的體積為aL（標況下）的物質的量為$\frac{aL}{22.4L/mol}$=$\frac{a}{22.4}$mol，由方程式AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑可知，樣品中AlN的物質的量為=$\frac{a}{22.4}$mol，所以AlN的質量為$\frac{a}{22.4}$mol×41g/mol=$\frac{41a}{22.4}$g，樣品中AIN的質量分數為$\frac{\frac{41a}{22.4}g}{wg}$×100%=$\frac{4100a}{22.4w}$%，故答案為：$\frac{4100a}{22.4w}$%；
（4）II中NH₃極易被吸收，發生倒吸現象，同時氨氣中含有水蒸氣，影響氨氣質量的測定，所以不可行．所作的改正為：在裝置之間添加盛有堿石灰的干燥管，燒杯導管的末端接一倒扣的漏斗來吸收氨氣．故答案為：不可行；在裝置之間添加盛有堿石灰的干燥管，燒杯導管的末端接一倒扣的漏斗來吸收氨氣．

點評 本題考查對實驗原理的理解與實驗操作評價、物質含量測定、化學計算等，難度中等，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．