Question

氮化鋁（AlN）是新型的電子絕緣基片材料，用于大型和超大型集成電路中．某興趣小組開展了制取氮化鋁并測(cè)定所得樣品中氮化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)．
【實(shí)驗(yàn)一】制取氮化鋁樣品
【查閱資料】在高溫下氮?dú)狻⑻己腿�氧化二鋁反應(yīng)可以生成氮化鋁粉和一氧化碳，用此方法制得的氮化鋁中含少量雜質(zhì)碳和氧化鋁．
【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)】興趣小組的同學(xué)分成甲、乙兩組，分別設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)．
甲組：利用空氣為原料，除去其它成分來獲得氮?dú)�，進(jìn)而和碳、三氧化二鋁反應(yīng)制取氮化鋁．
請(qǐng)回答：
（1）如果洗氣瓶A、B中的溶液互換位置，則空氣中的

 

將不能除去；
（2）寫出D中反應(yīng)的化學(xué)方程式

 

；
乙組：利用氨氣為原料與氧化銅反應(yīng)來獲得氮?dú)猓�再和碳、三氧化二鋁反應(yīng)制取氮化鋁．

請(qǐng)回答：如果ⅰ中玻璃管內(nèi)固體變成紅色，ⅱ明顯增重，請(qǐng)寫出ⅰ中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式

 

；
【實(shí)驗(yàn)反思】
（1）請(qǐng)從環(huán)保角度指出甲、乙兩組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中相同的不足之處：

 

；
（2）請(qǐng)比較、評(píng)價(jià)甲、乙兩組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中獲得氮?dú)獾姆椒ǎ?!--BA-->

 

；
【實(shí)驗(yàn)二】測(cè)定所制氮化鋁樣品中氮化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)
【查閱資料】
（1）Al₂O₃+2NaOH=2NaAlO₂+H₂O；　
（2）AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑．
（3）氨氣易溶于水且易與酸反應(yīng)．
【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1】甲組：用圖Ⅰ裝置使氮化鋁樣品和NaOH濃溶液反應(yīng)，根據(jù)反應(yīng)中所生成氨氣的體積來測(cè)定樣品中的氮化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)．

【實(shí)驗(yàn)反思】該設(shè)計(jì)中存在兩大問題會(huì)引起偏差，請(qǐng)根據(jù)偏差結(jié)果填寫引起相應(yīng)偏差的原因：
【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2】乙組：實(shí)驗(yàn)步驟如下：
①按下圖Ⅱ組裝儀器，將9.1g氮化鋁樣品放入錐形瓶中，在分液漏斗中加入一定量的濃NaOH溶液
②稱得盛有稀硫酸的燒杯和漏斗的總質(zhì)量為200g
③打開止水夾C，從分液漏斗向錐形瓶中滴入濃NaOH溶液，直到不再產(chǎn)生氣體為止
④打開止水夾B，從導(dǎo)管A處緩緩鼓入一定量的空氣
⑤再次稱量盛有稀硫酸的燒杯和漏斗的質(zhì)量和為203.4g
⑥重復(fù)實(shí)驗(yàn)④⑤步驟后稱得盛有稀硫酸的燒杯和漏斗的總質(zhì)量仍為203.4g稀硫酸
 
【實(shí)驗(yàn)討論】
（1）步驟①加入樣品前還應(yīng)檢查

 

．
（2）裝有堿石灰的干燥管作用是

 

；裝置中使用漏斗的目的是

 

．
（3）如果把燒杯中的稀硫酸換成濃硫酸，測(cè)定結(jié)果會(huì)

 

（填“偏大”或“偏小”）．
（4）步驟④的目的是

 

．
【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】計(jì)算所制氮化鋁樣品中氮化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)．

Answer 1

分析：【實(shí)驗(yàn)一】
甲組：（1）根據(jù)氫氧化鈉溶液與濃硫酸在實(shí)驗(yàn)中的作用，分析當(dāng)兩種裝置互換位置對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響；
（2）根據(jù)對(duì)反應(yīng)的說明，在高溫下氮?dú)�、碳和三氧化二鋁反應(yīng)可以生成氮化鋁粉和一氧化碳，寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式；
乙組：根據(jù)實(shí)驗(yàn)中所出現(xiàn)的現(xiàn)象，推斷ⅰ中發(fā)生的反應(yīng)，寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式；
【實(shí)驗(yàn)反思】（1）對(duì)比兩種實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)反應(yīng)后生成CO的處理進(jìn)行分析，判斷實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的問題；
（2）對(duì)比兩種實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)獲得氮?dú)獾膶?shí)驗(yàn)過程進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)獲得氮?dú)夥桨傅膬?yōu)缺點(diǎn)；
【實(shí)驗(yàn)二】
【實(shí)驗(yàn)反思】根據(jù)資料中氨氣易溶于水的信息，分析實(shí)驗(yàn)中存在的用排水法測(cè)定氨氣體積中的問題，判斷該問題對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；
【實(shí)驗(yàn)討論】（1）根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作中需要確保裝置氣密性的認(rèn)識(shí)，判斷實(shí)驗(yàn)開始之前應(yīng)進(jìn)行的操作；
（2）根據(jù)裝置中藥品或儀器的使用方法，分析實(shí)驗(yàn)中所涉及裝置的作用，判斷所指定裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響；
（3）對(duì)比濃硫酸與稀硫酸在實(shí)驗(yàn)中作用的異同，判斷用濃硫酸代替稀硫酸對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；
（4）分析緩緩?fù)ㄈ肟諝獾牟僮鲗?duì)實(shí)驗(yàn)中殘留氣體的影響，推斷該操作在實(shí)驗(yàn)過程中的目的；
【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】利用所測(cè)得氨氣的質(zhì)量，根據(jù)反應(yīng)的化學(xué)方程式計(jì)算出樣品中氮化鋁的質(zhì)量，從而求出樣品中氮化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)．

解答：解：【實(shí)驗(yàn)一】
甲組：（1）氫氧化鈉溶液吸收空氣中二氧化碳，濃硫酸吸收通過氫氧化鈉溶液的氣體中的水，若兩裝置交換位置，則氣體中的水不能被吸收；
（2）根據(jù)信息：在高溫下氮?dú)狻⑻己腿�氧化二鋁反應(yīng)可以生成氮化鋁粉和一氧化碳，裝置D中發(fā)生反應(yīng)化學(xué)方程式為：N₂+3C+Al₂O₃

△   .

2AlN+3CO；
乙組：把氨氣通入盛有氧化銅的玻璃管i，加熱后觀察到玻璃管內(nèi)固體變成紅色，說明有銅生成，裝置ii中濃硫酸質(zhì)量增加，說明生成了水，結(jié)合該反應(yīng)能得到氮?dú)獾膶?shí)驗(yàn)?zāi)康�，裝置i中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為2NH₃+3CuO

△   .

3Cu+3H₂O+N₂；
【實(shí)驗(yàn)反思】（1）生成氮化鋁的過程中產(chǎn)生的CO是一種有毒氣體，直接排放到空氣中會(huì)造成空氣的污染，因此實(shí)驗(yàn)中沒有對(duì)尾氣進(jìn)行處理會(huì)造成空氣污染；
（2）甲組利用空氣中含有78%的氮?dú)赓Y源獲得氮?dú)�，相�?duì)較乙組由氨氣獲得的方法而言，甲組的實(shí)驗(yàn)不受實(shí)驗(yàn)室藥品的限制；而甲組需要經(jīng)過三步實(shí)驗(yàn)才能得到氮?dú)�，而乙組一步實(shí)驗(yàn)即獲得了氮?dú)�，所以，甲組實(shí)驗(yàn)相對(duì)繁瑣；
【實(shí)驗(yàn)二】
【實(shí)驗(yàn)反思】實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)量氨氣體積時(shí)，氣體體積會(huì)受壓強(qiáng)的不同而造成較大誤差，而且實(shí)驗(yàn)中用排出水的方法測(cè)量體積，由于氨氣易溶于水，所測(cè)得體積一定會(huì)小于實(shí)際體積，導(dǎo)致結(jié)果偏��；
【實(shí)驗(yàn)討論】（1）在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前要確保裝置氣密性良好，因此應(yīng)先進(jìn)行氣密性的檢查；
（2）堿石灰能吸收氣體中的水，防止水對(duì)測(cè)量質(zhì)量的影響；使用漏斗進(jìn)行氨氣的吸收，可以防止吸收過程中造成溶液的倒吸；
（3）若使用濃硫酸，濃硫酸吸收空氣中的水，使得測(cè)量氨氣質(zhì)量偏大，而使結(jié)果偏大；
（4）從導(dǎo)管A處緩緩鼓入一定量的空氣，可以使裝置內(nèi)殘留的氨氣全部被稀硫酸吸收，以保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性；
【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】反應(yīng)生成氨氣的質(zhì)量=203.4g-200g=3.4g，設(shè)氮化鋁的質(zhì)量為x
AlN+NaOH+H₂O═NaAlO₂+NH₃↑
41                   17
x                    3.4g

41

x

=

17

3.4g

  x=8.2g
樣品中的氮化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)=

8.2g

9.1g

×100%=90%．
故答案為：
【實(shí)驗(yàn)一】
甲組：（1）水；（2）N₂+3C+Al₂O₃

△   .

2AlN+3CO；
乙組：2NH₃+3CuO

△   .

3Cu+3H₂O+N₂；
【實(shí)驗(yàn)反思】（1）未對(duì)反應(yīng)生成的CO進(jìn)行處理而直接排放到空氣中；（2）甲組利用空氣獲得氮?dú)�，可以不受藥品限制，但操作方法過于繁瑣；
【實(shí)驗(yàn)二】
【實(shí)驗(yàn)反思】沒有考慮氨氣溶于水而會(huì)使測(cè)定結(jié)果偏小；體積的測(cè)量會(huì)因壓強(qiáng)等其它因素的影響而不準(zhǔn)確；
【實(shí)驗(yàn)討論】（1）裝置氣密性；（2）除去氣體中的水；防止液體倒吸；（3）偏大；（4）使反應(yīng)產(chǎn)生的氨氣充分吸收；
【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】反應(yīng)生成氨氣的質(zhì)量=203.4g-200g=3.4g，設(shè)氮化鋁的質(zhì)量為x
AlN+NaOH+H₂O═NaAlO₂+NH₃↑
41                   17
x                   3.4g

41

x

=

17

3.4g

x=8.2g
樣品中的氮化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)=

8.2g

9.1g

×100%=90%．

點(diǎn)評(píng)：通過閱讀整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，理解實(shí)驗(yàn)的原理、操作方法及實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑸榻獯鸫祟悊栴}所要著力完成的基礎(chǔ)．