Question

9．.某研究性學習小組為測定某含鎂3%一5%的鋁鎂合金（不含其它元素）中鎂的質量分數，設計了下列三種不同實驗方案進行探究，請根據他們的設計回答有關問題．
【探究一】實驗方案：鋁鎂合金$\stackrel{NaOH溶液}{→}$測定剩余固體質量
問題討論：（1）實驗中發生反應的化學方程式是2Al+2NaOH+2H₂O=2NaAlO₂+3H₂↑．
（2）若實驗中稱取5.4g鋁鎂合金粉末樣品，投入VmL2.0mol/L NaOH溶液中，充分反應．則NaOH溶液的體積V≥97mL．
（3）實驗中，當鋁鎂合金充分反應后，在稱量剩余固體質量前，還需進行的實驗操作按順序依次為過濾、洗滌、干燥固體．
【探究二】實驗方案：稱量xg鋁鎂合金粉末，放在如圖1所示裝置的惰性電熱板上，通電使其充分灼燒．
問題討論：（4）欲計算Mg的質量分數，該實驗中還需測定的數據是灼燒后固體的質量．

（5）假設實驗中測出該數據為yg，則原鋁鎂合金粉末中鎂的質量分數為$\frac{17x-9y}{2x}$（用含x、y代數式表示）．
[探究三]實驗方案：鋁鎂合金$\stackrel{稀硫酸}{→}$測定生成氣體的體積．
問題討論：
（6）同學們擬選用下邊的實驗裝置完成實驗，你認為最簡易的裝置如圖2其連接順序是：a接e、d接g．（填接口字母，儀器不一定全選．）
（7）同學們仔細分析（6）中連接的實驗裝置后，又設計了如圖3所示的實驗裝置．圖2裝置中導管a的作用是保持分液漏斗內氣體壓強與錐形瓶內氣體壓強相等，打開分液漏斗活塞時稀硫酸能順利滴下，滴入錐形瓶的稀硫酸體積等于進入分液漏斗的氣體體積，從而消除由于加入稀硫酸引起的氫氣體積誤差．
②實驗前后堿式滴定管中液面讀數分別如圖4，則產生氫氣的體積為16.00mL．
③與上左圖裝置相比，用（6）中連接的裝置進行實驗時，容易引起誤差的原因是由于稀硫酸滴入錐形瓶中，即使不生成氫氣，也會將瓶內空氣排出，使所測氫氣體積偏大；實驗結束時，連接廣口瓶和量筒的導管中有少量水存在，使所測氫氣體積偏小（任寫一點）．

Answer 1

分析 （1）鋁與氫氧化鈉溶液反應生成偏鋁酸鈉與氫氣；
（2）鎂的質量分數最小時，金屬鋁的質量最大，需要的氫氧化鈉溶液最多，實際需要氫氧化鈉溶液的體積應大于或等于最大值，據此計算；
（3）根據反應后為不溶物和溶液兩部分，要得到干燥固體需要的實驗操作解答；
（4）根據Mg、Al都能夠與氧氣化學反應生成氧化物分析還需要知道的數據；
（5）設出金屬鎂和鋁的物質的量，根據合金的質量和灼燒后的質量列式計算出鎂的物質的量，再計算出鎂的質量分數；
（6）根據裝置的組裝順序：合金與酸反應，用排水量氣法測定氫氣的體積，其中盛水的試劑瓶導管一定要短進長出進行排序；
（7）①保持分液漏斗內氣體壓強與錐形瓶內氣體壓強相等，打開分液漏斗活塞時稀硫酸能順利滴下，滴入錐形瓶的稀硫酸體積等于進入分液漏斗的氣體體積，從而消除由于加入稀硫酸引起的氫氣體積誤差；
②滴定管的數值零刻度在上方，兩次的體積之差為測定的氫氣的體積（注意應保持干燥管與滴定管內液面等高），收集氫氣后滴定管內液面上升，讀數減小；
③根據稀硫酸定容錐形瓶能夠將空氣排出分析．

解答 解：（1）鋁與氫氧化鈉溶液反應生成偏鋁酸鈉與氫氣，反應方程式為2Al+2NaOH+2H₂O=2NaAlO₂+3H₂↑，
故答案為：2Al+2NaOH+2H₂O=2NaAlO₂+3H₂↑；
（2）含鎂為3%時，金屬鋁的含量最高，5.4g合金中鋁的質量為，5.4g×（1-3%）=5.4×97%g，則：
    2Al+2NaOH+2H₂O=2NaAlO₂ +3H₂↑
    54g    2mol
5.4g×97%  V×10^-3L×2.0mol/L
所以54g：（5.4g×97%）=2mol：（V×10^-3L×2.0mol/L），解得：V=97，故V（NaOH溶液）≥97mL，
故答案為：97；
（3）反應后金屬鋁完全消耗，沒有反應的為金屬鎂，稱量金屬鎂之前需要經過過濾、洗滌、干燥操作，然后再稱量固體質量，從而計算出合金中鎂的含量，
故答案為：過濾、洗滌、干燥固體；
（4）Mg、Al均與氧氣反應，生成金屬氧化物，則還需測定生成物的質量，
故答案為：灼燒后固體的質量；
（5）設xg鋁鎂合金粉末中含有n mol鎂、zmol鋁，則24n+27z=x①，
再根據反應關系式：Mg～MgO、Al～Al₂O₃，最后得到了yg氧化物，據此列式為：40n+51z=y②，
根據①②解得：z=$\frac{3y-5x}{18}$mol，鋁的質量為：27g/mol×$\frac{3y-5x}{18}$mol=$\frac{9y-15x}{2}$g，合金中鎂的質量分數為：$\frac{x-\frac{9y-15x}{2}}{x}$=$\frac{17x-9y}{2x}$，
故答案為：$\frac{17x-9y}{2x}$；
（6）裝置的組裝順序：合金與酸反應，用排水量氣法測定氫氣的體積，其中盛水的試劑瓶導管一定要短進長出，利用增大壓強原理將水排出，量筒中水的體積就是生成氫氣的體積，量筒內導管應伸入量筒底部，故連接順序為：（a）接（e）（d）接（g），
故答案為：e、d接g；
（7）①裝置中導管a的作用是：保持分液漏斗內氣體壓強與錐形瓶內氣體壓強相等，打開分液漏斗活塞時稀硫酸能順利滴下，滴入錐形瓶的稀硫酸體積等于進入分液漏斗的氣體體積，從而消除由于加入稀硫酸引起的氫氣體積誤差，
故答案為：保持分液漏斗內氣體壓強與錐形瓶內氣體壓強相等，打開分液漏斗活塞時稀硫酸能順利滴下，滴入錐形瓶的稀硫酸體積等于進入分液漏斗的氣體體積，從而消除由于加入稀硫酸引起的氫氣體積誤差；
②滴定管的數值零刻度在上方，兩次的體積之差為測定的氫氣的體積，收集氫氣后滴定管內液面讀數減小，反應前滴定管讀數為18.50mL，反應后滴定管讀數為2.50mL，所以測定氫氣的體積為：18.50mL-2.50mL=16.00mL，
故答案為：16.00mL；
③由于稀硫酸滴入錐形瓶中，即使不生成氫氣，也會將瓶內空氣排出，使所測氫氣體積偏大；實驗結束時，連接廣口瓶和量筒的導管中有少量水存在，使所測氫氣體積偏小，
故答案為：由于稀硫酸滴入錐形瓶中，即使不生成氫氣，也會將瓶內空氣排出，使所測氫氣體積偏大；實驗結束時，連接廣口瓶和量筒的導管中有少量水存在，使所測氫氣體積偏小．

點評 本題考查物質含量的測定、對實驗原理與裝置的理解、實驗方案設計等，難度中等，理解實驗原理是解題的關鍵，是對知識的綜合考查，要求學生具有扎實的基礎及綜合運用知識分析問題、解決問題的能力．