Question

10．氮化铝（AlN）陶瓷是一种类金刚石氮化物的新型无机非金属材料，最高可稳定到2200℃，导热性好，热膨胀系数小，是良好的耐热冲击材料．抗熔融金属侵蚀的能力强，是熔铸纯铁、铝或铝合金理想的坩埚材料．氮化铝还是电绝缘体，介电性能良好，用作电器元件也很有希望．超细氮化铝粉末被广泛应用于大规模集成电路生产领域，制取原理为：Al₂O₃+3C+N₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2AlN+3CO．
某化学研究性学习小组成员根据氮化铝的制取原理，进行了如下探究．
（1）在制取氮化铝时由于反应不完全，氮化铝产品中所含杂质除了碳以外还可能存在氧化铝（填物质名称）．
（2）为测定该产品中有关成分的含量，甲、乙两同学设计了以下两个实验：
甲同学：称取10.00g样品，将其加入过量的氢氧化钠溶液中共热并蒸干，其中AlN跟氢氧化钠溶液反应生成NaAlO₂，并放出气体，上述反应的化学方程式为AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑．
乙同学：认为测定某氮化铝中含有杂质，可用图中Ⅰ装置来进行检验，根据AlN与NaOH溶液反应所生成气体的体积来测定样品中氮化铝的质量分数，并根据实验现象来确定杂质的成分（实验中导管体积忽略不计）
①本试验中检查装置气密性的方法是关闭分液漏斗活塞，微热锥形瓶，广口瓶中右侧导管水柱上升，恒温时水柱并不回落．
②广口瓶中的试剂X可最好选用C（填选项的标号）．
A、苯　　　　B、酒精　　　　C、植物油　　　　D、CCl₄
③实验中测得样品的质量为wg，氨气的体积为aL（标况下），则样品中AlN的质量分数为$\frac{4100a}{22.4w}$%（AlN的式量为41）．
④丙同学认为，乙同学的实验方法，可能因气体体积测量不准，导致误差较大．建议改用图中的Ⅱ装置进行同样实验，通过测定烧杯中硫酸的增重来确定样品中AlN的质量分数．你认为是否可行？不可行（填“可行”、“不可行”），最简单的改进方法为在装置之间添加盛有碱石灰的干燥管，烧杯导管的末端接一倒扣的漏斗来吸收氨气．（若可行，则此空格可不作答）．丁同学仔细思考了丙同学的装置后，认为此装置所测得的样品中AlN含量偏小．其原因是反应产生的氨气不可能被完全吸收．为不考虑空气中少量水蒸气的影响时，只要用图中的Ⅲ或Ⅳ两个装置中的一种，只需进行简单而又必要的数据测定，可比较准确地确定样品中AlN的质量分数．较合理的装置为Ⅲ（填代号）．

Answer 1

分析 （1）根据物质不一定完全反应进行判断；
（2）由题目信息可知，由于AlN跟氢氧化钠溶液反应生成NaAlO₂、并放出NH₃，据此生成方程式；
①检查气密性的关键是整个体系要处于密闭状态，常用的方法有：密封气体利用气体的热胀冷缩或液封气体形成液面高度差，具体操作为：关闭分液漏斗活塞，微热锥形瓶，广口瓶中右侧导管水柱上升，恒温时水柱并不回落；
②X处在上层，密度比水小，且不容易水、不吸收氨气，用于隔离氨气与水，注意由于苯易挥发，会浪费试剂、影响氨气体积测定；
③计算出氨气的体积为aL的物质的量，再根据方程式计算出AlN的物质的量，进而计算AlN的质量，利用质量分数的定义计算样品中AIN的质量分数；
④II中NH₃极易被吸收，发生倒吸现象，同时氨气中含有水蒸气，影响氨气质量的测定，所以不可行，所作的改正为：在装置之间添加盛有碱石灰的干燥管，烧杯导管的末端接一倒扣的漏斗来吸收氨气；通过测定氨气的质量（即实验中硫酸增重量）来推算氮化铝的质量，因为有一部分氨气留在锥形瓶中，反应产生的氨气无法全部被稀硫酸吸收，因此实验测得AlN的质量分数将偏小，装置Ⅲ是通过反应前后总质量减少来测定AlN的质量分数，这里的干燥管作用是吸收被NH₃带出来的水蒸气（反应放热，更容易使产生的水蒸气被NH₃带走），若用IV，则NH₃被吸收，反应前后几无质量差，据此答题．

解答 解：（1）反应物中有氧化铝固体可能未反应完而留在AlN中，
故答案为：氧化铝；
（2）由于AlN跟氢氧化钠溶液反应生成NaAlO₂、并放出NH₃，其反应方程式为：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑，
故答案为：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑；
①检查气密性的关键是整个体系要处于密闭状态，常用的方法有：密封气体利用气体的热胀冷缩或液封气体形成液面高度差．由装置可知，适合利用气体热胀冷缩，具体操作为：关闭分液漏斗活塞，微热锥形瓶，广口瓶中右侧导管水柱上升，恒温时水柱并不回落，
故答案为：关闭分液漏斗活塞，微热锥形瓶，广口瓶中右侧导管水柱上升，恒温时水柱并不回落；
②A、苯易挥发，会浪费试剂、影响氨气体积测定，故A不适用；
B、酒精易挥发，挥发出来的气体对实验有影响，同时由于酒精易溶于水，也不能达到隔离的目的，故B错误；
C、植物油既不溶于水，密度小于水也不易挥发，可以把氨气与水进行隔离，故C最好；
D、CCl4密度大于水，不能起到隔离作用，故D错误，
故答案为：C；
③氨气的体积为aL（标况下）的物质的量为$\frac{aL}{22.4L/mol}$=$\frac{a}{22.4}$mol，由方程式AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑可知，样品中AlN的物质的量为=$\frac{a}{22.4}$mol，所以AlN的质量为$\frac{a}{22.4}$mol×41g/mol=$\frac{41a}{22.4}$g，样品中AIN的质量分数为$\frac{\frac{41a}{22.4}}{w}$×100%=$\frac{4100a}{22.4w}$%，
故答案为：$\frac{4100a}{22.4w}$%；
④II中NH₃极易被吸收，发生倒吸现象，同时氨气中含有水蒸气，影响氨气质量的测定，所以不可行，所作的改正为：在装置之间添加盛有碱石灰的干燥管，烧杯导管的末端接一倒扣的漏斗来吸收氨气，通过测定氨气的质量（即实验中硫酸增重量）来推算氮化铝的质量，因为有一部分氨气留在锥形瓶中，反应产生的氨气无法全部被稀硫酸吸收，因此实验测得AlN的质量分数将偏小，装置Ⅲ是通过反应前后总质量减少来测定AlN的质量分数，这里的干燥管作用是吸收被NH₃带出来的水蒸气（反应放热，更容易使产生的水蒸气被NH₃带走），若用IV，则NH₃被吸收，反应前后几无质量差，故较合理的装置为Ⅲ，
故答案为：不可行；在装置之间添加盛有碱石灰的干燥管，烧杯导管的末端接一倒扣的漏斗来吸收氨气；反应产生的氨气不可能被完全吸收；Ⅲ．

点评 该题为典型的样品纯度测验试题，并要求对已有的实验方案的评价，并指出方案不可行的原因以及在已有实验的基础上进行新的实验设计，理解实验原理是关键，是对所学知识的综合运用，需要学生具备扎实的基础知识与综合运用知识分析问题、解决问题的能力，学习中全面把握基础知识，难度很大．