Question

3．氮化鋁（AlN）是一種新型無機材料，廣泛應用于集成電路生產領域．某化學研究小組利用氮氣、氧化鋁和活性炭制取氮化鋁，設計如圖1實驗裝置．請回答：

（1）按圖連接好實驗裝置，檢查裝置氣密性的方法是在干燥管D末端連接一導管，將導管插入燒杯中的液面下，用酒精燈微熱蒸餾燒瓶，導管口有氣泡冒出，撤掉酒精燈一段時間，導管內上升一段水柱，說明氣密性良好
（2）寫出以下儀器的名稱：A（恒壓）分液漏斗 B干燥管
（3）實驗中制取氮化鋁（碳過量）的化學方程式為Al₂O₃+3C+N₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2AlN+3CO
（4）化學研究小組的此裝置存在嚴重缺陷，請說明改進的方法在干燥管D末端連一尾氣處理裝置
（5）反應結束后，某同學用圖2裝置進行實驗來測定氮化鋁樣品的質量分數（實驗中導管體積忽略不計）．已知：氮化鋁和NaOH溶液反應生成NaAlO₂和氨氣．
①量氣管中的液體最好是c（填字母編號，下同）．
a．濃NaOH溶液  b．氨水
c．煤油        d．飽和氯化銨溶液
②本實驗應對量氣管多次讀數，讀數時應注意：a．視線與凹液面最低處相平b．恢復至室溫c．使量氣管與干燥管兩端液面相平
③實驗獲得以下數據（所有氣體體積均已換算成標準狀況，忽略滴入液體體積對氣體體積的影響）：

編號	氮化鋁樣品質量	量氣管第一次讀數	量氣管第二次讀數
①	1.0g	350.0mL	13.7mL
②	1.0g	350.0mL	25.0mL
③	1.0g	350.0mL	14.3mL

根據上述數據，可計算出樣品中AlN的質量分數為61.5%．

Answer 1

分析 制取氮化鋁：用飽和NaNO₂與NH₄Cl溶液制取氮氣NaNO₂+NH₄Cl$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$NaCl+N₂↑+2H₂O，裝置中分液漏斗與蒸餾燒瓶之間的導管A，平衡內外壓強，使NaNO₂ 飽和溶液容易滴下，制得的氮氣排盡裝置中的空氣，堿石灰干燥氮氣，氧化鋁、碳和氮氣在高溫的條件下生成氮化鋁和一氧化碳，方程式為：Al₂O₃+3C+N₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2AlN+3CO，D防止空氣進入反應裝置干擾實驗．
（1）只要先將裝置密封再利用熱脹冷縮原理進行氣密性驗證；
（2）根據儀器形狀確定儀器名稱；
（3）氧化鋁、碳和氮氣在高溫的條件下生成氮化鋁和一氧化碳；
（4）實驗必須對有毒氣體進行尾氣處理，防止空氣污染；
（5）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；
②量氣管與干燥管兩邊壓強相等；
③根據量氣管的第一次讀數-第二次讀數=生成氨氣的體積，求出生成氨氣的平均值，根據氨氣的體積計算出物質的量，得出其中氮原子的物質的量，根據氮原子守恒，來計算氮化鋁的百分含量．

解答 解：制取氮化鋁：用飽和NaNO₂與NH₄Cl溶液制取氮氣NaNO₂+NH₄Cl$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$NaCl+N₂↑+2H₂O，裝置中分液漏斗與蒸餾燒瓶之間的導管A，平衡內外壓強，使NaNO₂ 飽和溶液容易滴下，制得的氮氣排盡裝置中的空氣，堿石灰干燥氮氣，氧化鋁、碳和氮氣在高溫的條件下生成氮化鋁和一氧化碳，方程式為：Al₂O₃+3C+N₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2AlN+3CO，D防止空氣進入反應裝置干擾實驗．
（1）關閉分液漏斗開關，使裝置處于密閉體系，將導管一端浸入水中，用手緊握錐形瓶外壁，由于熱脹冷縮，錐形瓶內氣體受熱膨脹，如果導管口有氣泡冒出，說明氣密性良好，否則裝置漏氣，
故答案為：在干燥管D末端連接一導管，將導管插入燒杯中的液面下，用酒精燈微熱蒸餾燒瓶，導管口有氣泡冒出，撤掉酒精燈一段時間，導管內上升一段水柱，證明氣密性良好；
（2）A為（恒壓）分液漏斗；B為干燥管，故答案為：（恒壓）分液漏斗；干燥管；
（3）氧化鋁、碳和氮氣在高溫的條件下生成氮化鋁和一氧化碳：Al₂O₃+3C+N₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2AlN+3CO，故答案為：Al₂O₃+3C+N₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2AlN+3CO；
（4）實驗必須對有毒氣體進行尾氣處理，應在干燥管D末端連接一個尾氣處理裝置，防止空氣污染，故答案為：在干燥管D末端連接一個尾氣處理裝置；
（5）①濃NaOH溶液、氨水、飽和氯化銨溶液都是水溶液，氨氣極易溶于水；而煤油既不溶于水，密度小于水也不易揮發，可以把氨氣與水進行隔離；
故答案為：C；
②每次讀數前應上下移動水準管，待兩管液面相平再讀數是為了防止水的壓強造成的誤差，故答案為：使量氣管與干燥管兩端液面相平；
③第2次測量數據誤差較大，可不用，生成氨氣的體積=$\frac{（350-13.7）+（350-14.3）}{2}$=336.0mL=0.336L，物質的量是0.015mol，所以氮化鋁的物質的量是0.015mol，質量是0.015mol×41g/mol=0.615g，所以氮化鋁的質量分數為$\frac{0.615}{1}$×100%=61.5%，
故答案為：61.5%．

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，題目難度中等，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．