Question

11．氮化鋁（AlN）陶瓷是一種類金剛石氮化物的新型無機(jī)非金屬材料，最高可穩(wěn)定到2200℃，導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)小，是良好的耐熱沖擊材料．抗熔融金屬侵蝕的能力強(qiáng)，是熔鑄純鐵、鋁或鋁合金理想的坩堝材料．工業(yè)用氮化鋁（AlN）產(chǎn)品中常含有少量Al₄C₃、Al₂O₃、C等雜質(zhì)．現(xiàn)要通過實(shí)驗(yàn)分別測定氮化鋁（AlN）樣品中AlN和Al₄C₃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（忽略NH₃在強(qiáng)堿性溶液中的溶解）．
（1）實(shí)驗(yàn)原理
①已知Al₄C₃與硫酸反應(yīng)可生成CH₄，則該反應(yīng)的離子方程式是Al₄C₃+12H⁺=4Al³⁺+3CH₄↑．
②AlN溶于強(qiáng)酸生成銨鹽，溶于氫氧化鈉溶液生成氨氣，
請(qǐng)寫出AlN與NaOH溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式．
（2）實(shí)驗(yàn)裝置（如圖所示）

（3）實(shí)驗(yàn)過程
①連接實(shí)驗(yàn)裝置，檢驗(yàn)裝置的氣密性．稱得D裝置的質(zhì)量為yg，滴定管的讀數(shù)為amL．
②稱取xg AlN樣品置于錐形瓶中；塞好膠塞，關(guān)閉活塞K₂、K₃，打開活塞K₁，通過分液漏斗加入過量H₂SO₄（填化學(xué)式），與錐形瓶內(nèi)物質(zhì)充分反應(yīng)．
③待反應(yīng)進(jìn)行完全后，關(guān)閉活塞K₁，打開活塞K₃，通過分液漏斗加入過量NaOH（填化學(xué)式），
與錐形瓶內(nèi)物質(zhì)充分反應(yīng)．
④打開K₂，通過打氣裝置通入空氣一段時(shí)間．
⑤記錄滴定管的讀數(shù)為bmL，稱得D裝置的質(zhì)量為zg．
（4）數(shù)據(jù)處理與問答
①在上述裝置中，設(shè)置活塞K₂的目的是打開K₂，通入空氣一段時(shí)間，排盡裝置的氨氣，被裝置D完全吸收．
②若讀取滴定管中氣體的體積時(shí)，液面左高右低，則所測氣體的體積偏小填“偏大”，“偏小”或“無影響”）．
③Al₄C₃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為$\frac{0.048（a-b）}{{V}_{m}•X}$×100%，AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為$\frac{41（Z-Y）}{17X}$×100%．

Answer 1

分析 從實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)步驟上看，本實(shí)驗(yàn)的原理是用足量硫酸與樣品中Al₄C₃完全反應(yīng)，量取生成的甲烷氣體，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(yīng)，充分吸收生成的氨氣，并稱量其質(zhì)量，從而求得AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以此分析解答；
（1）①Al₄C₃與硫酸反應(yīng)可生成CH₄和硫酸鋁；
②根據(jù)題目信息：AlN溶于強(qiáng)堿溶液時(shí)會(huì)生成NH₃來書寫方程式；
（3）②關(guān)閉活塞K₂、K₃，打開活塞 K₁，通過分液漏斗加入稀硫酸，硫酸與樣品中Al₄C₃完全反應(yīng)，量取生成的甲烷氣體，從而測得Al₄C₃的百分含量；
③關(guān)閉活塞K₁，打開活塞K₃，用足量NaOH溶液與樣品中AlN完全反應(yīng)，充分吸收生成的氨氣，并稱量其質(zhì)量；
（4）①通入空氣一段時(shí)間，排盡裝置的氨氣，被裝置D完全吸收；
②讀取滴定管中氣體的體積時(shí)，液面左高右低，氣體的壓強(qiáng)大于大氣壓，測定氣體甲烷的體積偏�。�
③根據(jù)碳原子的守恒，Al₄C₃的物質(zhì)的量等于甲烷的物質(zhì)的量的三分之一，可求得Al₄C₃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，根據(jù)氮原子的守恒，氨氣的物質(zhì)的量等于AlN的物質(zhì)的量，可求得AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)．

解答 解：從實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)步驟上看，本實(shí)驗(yàn)的原理是用足量硫酸與樣品中Al₄C₃完全反應(yīng)，量取生成的甲烷氣體，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(yīng)，充分吸收生成的氨氣，并稱量其質(zhì)量，從而求得AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；
（1）①碳化鋁（Al₄C₃）與水反應(yīng)生成氫氧化鋁和甲烷，碳化鋁與硫酸反應(yīng)可理解為碳化鋁（Al₄C₃）與水反應(yīng)，產(chǎn)物再和硫酸反應(yīng)，所以產(chǎn)物為硫酸鋁和甲烷，反應(yīng)方程式為：Al₄C₃+6H₂SO₄=2Al₂（SO₄）₃+3CH₄↑，離子方程式為：Al₄C₃+12H⁺=4Al³⁺+3CH₄↑，
故答案為：Al₄C₃+12H⁺=4Al³⁺+3CH₄↑；
②根據(jù)題目信息：AlN溶于強(qiáng)堿溶液時(shí)會(huì)生成NH₃，化學(xué)方程式為：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑，
故答案為：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑；
（3）②關(guān)閉活塞K₂、K₃，打開活塞 K₁，通過分液漏斗加入稀硫酸，硫酸與樣品中Al₄C₃完全反應(yīng)，量取生成的甲烷氣體，從而測得Al₄C₃的百分含量，
故答案為：H₂SO₄；
③關(guān)閉活塞K₁，打開活塞K₃，用足量NaOH溶液與樣品中AlN完全反應(yīng)，充分吸收生成的氨氣，并稱量其質(zhì)量，
故答案為：NaOH；
（4）①裝置中殘留部分氨氣，打開K₂，通入空氣一段時(shí)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(zhì)量偏小，
故答案為：打開K₂，通入空氣一段時(shí)間，排盡裝置的氨氣，被裝置D完全吸收；
②讀取滴定管中氣體的體積時(shí)，液面左高右低，氣體的壓強(qiáng)大于大氣壓，測定氣體甲烷的體積偏小，
故答案為：偏小；
③甲烷的體積為（a-b）mL，物質(zhì)的量為$\frac{（a-b）×1{0}^{-3}}{{V}_{m}}$mol，根據(jù)碳原子的守恒，Al₄C₃的物質(zhì)的量等于甲烷的物質(zhì)的量的三分之一，所以Al₄C₃的質(zhì)量為$\frac{1}{3}$×$\frac{（a-b）×1{0}^{-3}}{{V}_{m}}$mol×144g/mol=$\frac{48（a-b）×1{0}^{-3}}{{V}_{m}}$g，Al₄C₃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為$\frac{0.048（a-b）}{{V}_{m}•X}$×100%，
氨氣的質(zhì)量為（z-y）g，物質(zhì)的量為$\frac{Z-Y}{17}$mol，根據(jù)氮原子的守恒，氨氣的物質(zhì)的量等于AlN的物質(zhì)的量，所以AlN的質(zhì)量為$\frac{Z-Y}{17}$mol×41g/mol=$\frac{41（Z-Y）}{17}$g，故AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為$\frac{\frac{41（Z-Y）}{17}}{X}$×100%=$\frac{41（Z-Y）}{17X}$×100%，

故答案為：$\frac{0.048（a-b）}{{V}_{m}•X}$×100%；$\frac{41（Z-Y）}{17X}$×100%．

點(diǎn)評(píng) 本題是一道關(guān)于物質(zhì)的組成和含量測定知識(shí)的綜合考查題，側(cè)重考查學(xué)生知識(shí)綜合應(yīng)用能力，要求學(xué)生具有分析和解決問題的能力，綜合性較強(qiáng)，注意把握相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理，題目難度大．