Question

12．工業(yè)制得的氮化鋁（AlN）產(chǎn)品中常含有少量Al₄C₃、Al₂O₃、C等雜質．某同學設計了如下實驗，分別測定氮化鋁（AlN）樣品中AlN和Al₄C₃的質量分數(shù)（忽略NH₃在強堿性溶液中的溶解）．
（1）實驗原理
①Al₄C₃與硫酸反應可生成CH₄；
②AlN溶于強酸產(chǎn)生銨鹽，溶于強堿生成氨氣，請寫出AlN與NaOH溶液反應的化學方程式AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑．
（2）實驗裝置（如圖所示）

（3）實驗過程
①連接實驗裝置，檢驗裝置的氣密性．稱得D裝置的質量為yg，滴定管的讀數(shù)為amL．
②稱取xg A_lN樣品置于錐形瓶中；塞好膠塞，關閉活塞K₂、K₃，打開活塞K₁（填入該步應進行的操作），通過分液漏斗加入過量的稀硫酸，與燒瓶內(nèi)物質充分反應．
③待反應進行完全后，關閉活塞K₁，打開活塞K₃，通過分液漏斗加入過量的NaOH溶液，與燒瓶內(nèi)物質充分反應．
④打開活塞K₂，通入空氣一段時間（填入該步應進行的操作）．
⑤記錄滴定管的讀數(shù)為bmL，稱得D裝置的質量為zg，
（4）數(shù)據(jù)分析
①AlN的質量分數(shù)為$\frac{41（z-y）}{17x}$×100%．
②若讀取滴定管中氣體的體積時，液面左高右低，則所測氣體的體積偏�。ㄌ睢捌�大”、“偏小”或“無影響”）．
③Al₄C₃的質量分數(shù)為$\frac{0.048（a-b）}{{V}_{m}x}$×100%．（該實驗條件下的氣體摩爾體積為V_m）
（5）假若上述實驗裝置氣密性良好，數(shù)據(jù)記錄也不產(chǎn)生誤差，但某同學還是認為該方法測得Al₄C₃的質量分數(shù)會偏高，最可能的原因是B裝置分液漏斗中的稀硫酸滴入錐形瓶中會排出一部分空氣．

Answer 1

分析 從實驗裝置和實驗步驟上看，本實驗的原理是用足量硫酸與樣品中Al₄C₃完全反應，測量生成的甲烷氣體，從而可測得Al₄C₃的百分含量；用足量NaOH溶液與樣品中AlN完全反應，用濃硫酸充分吸收生成的氨氣，并稱量其質量，從而求得AlN的質量分數(shù)．
（1）②AlN水解得到氫氧化鋁與氨氣，氫氧化鋁與NaOH溶液反應生成偏鋁酸鈉；
（3）關閉活塞K₂、K₃，打開活塞 K₁，通過分液漏斗加入過量的稀硫酸，與燒瓶內(nèi)物質充分反應，測量生成甲烷氣體的體積．待反應進行完全后，關閉活塞K₁，打開活塞K₃，通過分液漏斗加入過量的NaOH溶液，與燒瓶內(nèi)物質充分反應，由于裝置中殘留部分氨氣，打開K₂，通入空氣一段時間，排盡裝置的氨氣，被裝置D完全吸收，測定生成氨氣質量；
（4）①根據(jù)氮原子的守恒，氨氣的物質的量等于AlN的物質的量，可求得AlN的質量分數(shù)；
②讀取滴定管中氣體的體積時，液面左高右低，氣體的壓強大于大氣壓，測定氣體甲烷的體積偏小；
②根據(jù)碳原子的守恒，Al₄C₃的物質的量等于甲烷的物質的量的三分之一，可求得Al₄C₃的質量分數(shù)；
（5）B裝置分液漏斗中的稀硫酸滴入錐形瓶中會排出一部分空氣，按甲烷的體積進行了測定．

解答 解：從實驗裝置和實驗步驟上看，本實驗的原理是用足量硫酸與樣品中Al₄C₃完全反應，測量生成的甲烷氣體，從而可測得Al₄C₃的百分含量；用足量NaOH溶液與樣品中AlN完全反應，用濃硫酸充分吸收生成的氨氣，并稱量其質量，從而求得AlN的質量分數(shù)．
（1）②AlN水解得到氫氧化鋁與氨氣，氫氧化鋁與NaOH溶液反應生成偏鋁酸鈉，總反應方程式為：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑，
故答案為：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑；
（3）關閉活塞K₂、K₃，打開活塞 K₁，通過分液漏斗加入過量的稀硫酸，與燒瓶內(nèi)物質充分反應，測量生成甲烷氣體的體積．待反應進行完全后，關閉活塞K₁，打開活塞K₃，通過分液漏斗加入過量的NaOH溶液，與燒瓶內(nèi)物質充分反應，由于裝置中殘留部分氨氣，打開K₂，通入空氣一段時間，排盡裝置的氨氣，被裝置D完全吸收，防止測定的氨氣的質量偏小，測定生成氨氣質量，
故答案為：關閉活塞K₂、K₃，打開活塞K₁；打開活塞K₂，通入空氣一段時間；
（4）①氨氣的質量為（z-y）g，物質的量為$\frac{（z-y）g}{17g/mol}$=$\frac{z-y}{17}$mol，根據(jù)氮原子的守恒，氨氣的物質的量等于AlN的物質的量，所以AlN的質量為$\frac{z-y}{17}$mol×41g/mol=$\frac{41（z-y）}{17}$g，故AlN的質量分數(shù)為$\frac{\frac{41（z-y）}{17}g}{xg}$×100%=$\frac{41（z-y）}{17x}$×100%，
故答案為：$\frac{41（z-y）}{17x}$×100%；
②讀取滴定管中氣體的體積時，液面左高右低，氣體的壓強大于大氣壓，測定氣體甲烷的體積偏小，
故答案為：偏�。�
③甲烷的體積為（a-b）mL，物質的量為$\frac{（a-b）×1{0}^{-3}L}{{V}_{m}L/mol}$=$\frac{（a-b）}{{V}_{m}}$×10^-3mol，根據(jù)碳原子的守恒，Al₄C₃的物質的量等于甲烷的物質的量的三分之一，所以Al₄C₃的質量為$\frac{1}{3}$×$\frac{（a-b）}{{V}_{m}}$×10^-3mol×144g/mol=$\frac{48（a-b）}{{V}_{m}}$×10^-3g，Al₄C₃的質量分數(shù)為$\frac{\frac{48（a-b）}{{V}_{m}}×1{0}^{-3}g}{xg}$×100%=$\frac{0.048（a-b）}{{V}_{m}x}$×100%，
故答案為：$\frac{0.048（a-b）}{{V}_{m}x}$×100%；
（5）B裝置分液漏斗中的稀硫酸滴入錐形瓶中會排出一部分空氣，也按甲烷的體積進行了測定，測得Al₄C₃的質量分數(shù)會偏高，
故答案為：B裝置分液漏斗中的稀硫酸滴入錐形瓶中會排出一部分空氣．

點評 本題考查對實驗原理與操作步驟的理解、化學計算、物質組成的測定等，難度較大，是對所需知識的綜合運用，需要學生具有扎實的基礎知識與分析問題、解決問題的能力，理解實驗原理是解答的關鍵．