Question

10．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．抗熔融金屬侵蝕的能力強，是熔鑄純鐵、鋁或鋁合金理想的坩堝材料．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，制取原理為：Al₂O₃+3C+N₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2AlN+3CO．
某化學研究性學習小組成員根據氮化鋁的制取原理，進行了如下探究．
（1）在制取氮化鋁時由于反應不完全，氮化鋁產品中所含雜質除了碳以外還可能存在氧化鋁（填物質名稱）．
（2）為測定該產品中有關成分的含量，甲、乙兩同學設計了以下兩個實驗：
甲同學：稱取10.00g樣品，將其加入過量的氫氧化鈉溶液中共熱并蒸干，其中AlN跟氫氧化鈉溶液反應生成NaAlO₂，并放出氣體，上述反應的化學方程式為AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑．
乙同學：認為測定某氮化鋁中含有雜質，可用圖中Ⅰ裝置來進行檢驗，根據AlN與NaOH溶液反應所生成氣體的體積來測定樣品中氮化鋁的質量分數，并根據實驗現象來確定雜質的成分（實驗中導管體積忽略不計）
①本試驗中檢查裝置氣密性的方法是關閉分液漏斗活塞，微熱錐形瓶，廣口瓶中右側導管水柱上升，恒溫時水柱并不回落．
②廣口瓶中的試劑X可最好選用C（填選項的標號）．
A、苯　　　　B、酒精　　　　C、植物油　　　　D、CCl₄
③實驗中測得樣品的質量為wg，氨氣的體積為aL（標況下），則樣品中AlN的質量分數為$\frac{4100a}{22.4w}$%（AlN的式量為41）．
④丙同學認為，乙同學的實驗方法，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“可行”、“不可行”），最簡單的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．（若可行，則此空格可不作答）．丁同學仔細思考了丙同學的裝置后，認為此裝置所測得的樣品中AlN含量偏小．其原因是反應產生的氨氣不可能被完全吸收．為不考慮空氣中少量水蒸氣的影響時，只要用圖中的Ⅲ或Ⅳ兩個裝置中的一種，只需進行簡單而又必要的數據測定，可比較準確地確定樣品中AlN的質量分數．較合理的裝置為Ⅲ（填代號）．

Answer 1

分析 （1）根據物質不一定完全反應進行判斷；
（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；
①檢查氣密性的關鍵是整個體系要處于密閉狀態，常用的方法有：密封氣體利用氣體的熱脹冷縮或液封氣體形成液面高度差，具體操作為：關閉分液漏斗活塞，微熱錐形瓶，廣口瓶中右側導管水柱上升，恒溫時水柱并不回落；
②X處在上層，密度比水小，且不容易水、不吸收氨氣，用于隔離氨氣與水，注意由于苯易揮發，會浪費試劑、影響氨氣體積測定；
③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；
④II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；通過測定氨氣的質量（即實驗中硫酸增重量）來推算氮化鋁的質量，因為有一部分氨氣留在錐形瓶中，反應產生的氨氣無法全部被稀硫酸吸收，因此實驗測得AlN的質量分數將偏小，裝置Ⅲ是通過反應前后總質量減少來測定AlN的質量分數，這里的干燥管作用是吸收被NH₃帶出來的水蒸氣（反應放熱，更容易使產生的水蒸氣被NH₃帶走），若用IV，則NH₃被吸收，反應前后幾無質量差，據此答題．

解答 解：（1）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：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↑；
①檢查氣密性的關鍵是整個體系要處于密閉狀態，常用的方法有：密封氣體利用氣體的熱脹冷縮或液封氣體形成液面高度差．由裝置可知，適合利用氣體熱脹冷縮，具體操作為：關閉分液漏斗活塞，微熱錐形瓶，廣口瓶中右側導管水柱上升，恒溫時水柱并不回落，
故答案為：關閉分液漏斗活塞，微熱錐形瓶，廣口瓶中右側導管水柱上升，恒溫時水柱并不回落；
②A、苯易揮發，會浪費試劑、影響氨氣體積測定，故A不適用；
B、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，故B錯誤；
C、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C最好；
D、CCl4密度大于水，不能起到隔離作用，故D錯誤，
故答案為：C；
③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$\frac{\frac{41a}{22.4}}{w}$×100%=$\frac{4100a}{22.4w}$%，
故答案為：$\frac{4100a}{22.4w}$%；
④II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，通過測定氨氣的質量（即實驗中硫酸增重量）來推算氮化鋁的質量，因為有一部分氨氣留在錐形瓶中，反應產生的氨氣無法全部被稀硫酸吸收，因此實驗測得AlN的質量分數將偏小，裝置Ⅲ是通過反應前后總質量減少來測定AlN的質量分數，這里的干燥管作用是吸收被NH₃帶出來的水蒸氣（反應放熱，更容易使產生的水蒸氣被NH₃帶走），若用IV，則NH₃被吸收，反應前后幾無質量差，故較合理的裝置為Ⅲ，
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；反應產生的氨氣不可能被完全吸收；Ⅲ．

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．