题目内容
（背景材料）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．其制取原理为：
Al2O3+3C+N2
2AlN+3CO
（问题探究）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．
问题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______．
问题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：
（1）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，AlN跟氢氧化钠溶液反应生成NaAlO2，并放出氨气3.36L（标准状况）．
①上述反应的化学方程式为______．
②该样品中的AlN的质量分数为______．
（2）乙同学：称取10.00g样品置于反应器中，通入2.016L（标准状况）O2，在高温下充分反应后测得气体的密度为1.34g?L-1（已折成标准状况，AlN不跟O2反应）．该样品中含杂质碳______g．
问题3、丙同学受到甲、乙同学实验的启发，认为测定某氮化铝中含有碳或氧化铝杂质，可用图中I的一些装置来进行检验，根据AlN与NaOH溶液反应所生成氨气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）实验有关操作为：①往锥形瓶中放入适量的AlN样品：②从分液漏斗往锥形瓶中加入过量的浓NaOH；③检验装置的气密性；④测定收集到水的体积．
正确的操作顺序为______．
（2）本试验中检查装置气密性的方法是______．
（3）广口瓶中的试剂X可最好选用______（填选项的标号）．
A、苯 B、酒精 C、植物油 D、CCl4
（4）广口瓶的液体没有装满（上方留有少量空间），实验测得NH3的体积将______（填偏大、偏小或不变）．
（5）若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______（AlN的式量为41）．
（6）实验结束后，若观察到锥形瓶中还有固体，则样品中含有的杂质是______，为了测定是否含有其它杂质，则还需要哪些简单数据______．
问题4、丁同学认为，丙同学的实验方法，可能因气体体积测量不准，导致误差较大．建议改用图9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？______（填入“可行”、“不可行”），原因是______．最简单的改进方法为______．
问题5、戊同学仔细思考了丁同学的装置后，认为此装置所测测得的样品中AlN含量偏小．其原因是______．若忽略此原因的话，只要用图9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______（填代号）．你认为戊同学的装置是否还有缺陷？______．若有，所测结果将偏高或偏低______，应作如何改进？______．（若无缺陷后两此格可不填）．
Al2O3+3C+N2
| 高温 |
（问题探究）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．
问题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______．
问题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：
（1）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，AlN跟氢氧化钠溶液反应生成NaAlO2，并放出氨气3.36L（标准状况）．
①上述反应的化学方程式为______．
②该样品中的AlN的质量分数为______．
（2）乙同学：称取10.00g样品置于反应器中，通入2.016L（标准状况）O2，在高温下充分反应后测得气体的密度为1.34g?L-1（已折成标准状况，AlN不跟O2反应）．该样品中含杂质碳______g．
问题3、丙同学受到甲、乙同学实验的启发，认为测定某氮化铝中含有碳或氧化铝杂质，可用图中I的一些装置来进行检验，根据AlN与NaOH溶液反应所生成氨气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）实验有关操作为：①往锥形瓶中放入适量的AlN样品：②从分液漏斗往锥形瓶中加入过量的浓NaOH；③检验装置的气密性；④测定收集到水的体积．
正确的操作顺序为______．
（2）本试验中检查装置气密性的方法是______．
（3）广口瓶中的试剂X可最好选用______（填选项的标号）．
A、苯 B、酒精 C、植物油 D、CCl4
（4）广口瓶的液体没有装满（上方留有少量空间），实验测得NH3的体积将______（填偏大、偏小或不变）．
（5）若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______（AlN的式量为41）．
（6）实验结束后，若观察到锥形瓶中还有固体，则样品中含有的杂质是______，为了测定是否含有其它杂质，则还需要哪些简单数据______．
问题4、丁同学认为，丙同学的实验方法，可能因气体体积测量不准，导致误差较大．建议改用图9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？______（填入“可行”、“不可行”），原因是______．最简单的改进方法为______．
问题5、戊同学仔细思考了丁同学的装置后，认为此装置所测测得的样品中AlN含量偏小．其原因是______．若忽略此原因的话，只要用图9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______（填代号）．你认为戊同学的装置是否还有缺陷？______．若有，所测结果将偏高或偏低______，应作如何改进？______．（若无缺陷后两此格可不填）．
问题1、问题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．
问题2：（1）①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↑．
②生成NH3的物质的量为
=0.15mo，根据氮元素守恒可知10.00g样品中含有AlN的物质的量为0.15mol，质量为0.15mol×41g/mol=6.15g，该样品中的AlN的质量分数为
×100%=61.5%．
故答案为：61.5%．
（2）反应产物可能CO2、CO或CO2和CO、CO2和O2的混合气体，根据气体产物的密度可计算出气体产物的平均相对分子质量为30，所以生成气体必定是CO2和CO混合气体．设混合气体中含有CO2xmol，CO ymol，根据氧原子守恒有2x+y=0.18…①，根据平均相对分子质量有44x+28y=30（x+y）…②，联立方程解得：x=0.02，y=0.14．所以，样品中C的质量为：（0.02+0.14）×12=1.92g．
故答案为：1.92．
问题3、（1）检查装置的气密性往往是在加药品前进行，否则将可能造成药品的浪费，故先检验气密性，然后在锥形瓶中放入适量的AlN样品，再从分液漏斗往锥形瓶中加入过量的浓NaOH，测定收集到水的体积．
故答案为：③①②④．
（2）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．
（3）A、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；
（4）本次实验的目的在于测定产生气体的体积而不是收集纯净的气体，氨气排出装置的气体，按占据原来气体空间，广口瓶内的液体是否充满不影响所收集到的NH3体积大小．
故答案为：不变．
（5）氨气的体积为aL（标况下）的物质的量为
=
mol，由方程式AlN+NaOH+H2O=NaAlO2+NH3↑可知，样品中AlN的物质的量为=
mol，所以AlN的质量为
mol×41g/mol=
g，样品中AIN的质量分数为
×100%=
%．
故答案为：
%．
（6）由于AlN中的杂质可能是碳和Al2O3，而只碳不能与NaOH溶液反应，此时不溶固体为碳，样品中含有的杂质是C．
只要知道碳的质量与氨气的体积，根据氨气体积计算AlN质量，利用碳与AlN的质量之和与样品质量关系，可以确定是否含有其它杂质．
故答案为：碳；碳的质量．
问题4：II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．
故答案为：不可行；II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；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．
问题5：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．
戊同学设计的装置Ⅲ较合理，这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．
但戊同学仍未考虑到空气中的水蒸气或CO2的进入，否则，将造成反应后的总质量增大，相当于NH3的减少，导致结果偏低，故而应再加一个同样的干燥管．
故答案为：反应产生的氨气不可能被完全吸收；III；有； 偏低； 应再接一个与IV装置中完全相同的干燥管（或再接一个装有碱石灰的干燥管也行）．
故答案为：氧化铝．
问题2：（1）①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↑．
②生成NH3的物质的量为
| 3.36L |
| 22.4L/mol |
| 6.15g |
| 10g |
故答案为：61.5%．
（2）反应产物可能CO2、CO或CO2和CO、CO2和O2的混合气体，根据气体产物的密度可计算出气体产物的平均相对分子质量为30，所以生成气体必定是CO2和CO混合气体．设混合气体中含有CO2xmol，CO ymol，根据氧原子守恒有2x+y=0.18…①，根据平均相对分子质量有44x+28y=30（x+y）…②，联立方程解得：x=0.02，y=0.14．所以，样品中C的质量为：（0.02+0.14）×12=1.92g．
故答案为：1.92．
问题3、（1）检查装置的气密性往往是在加药品前进行，否则将可能造成药品的浪费，故先检验气密性，然后在锥形瓶中放入适量的AlN样品，再从分液漏斗往锥形瓶中加入过量的浓NaOH，测定收集到水的体积．
故答案为：③①②④．
（2）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．
（3）A、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；
（4）本次实验的目的在于测定产生气体的体积而不是收集纯净的气体，氨气排出装置的气体，按占据原来气体空间，广口瓶内的液体是否充满不影响所收集到的NH3体积大小．
故答案为：不变．
（5）氨气的体积为aL（标况下）的物质的量为
| aL |
| 22.4L/mol |
| a |
| 22.4 |
| a |
| 22.4 |
| a |
| 22.4 |
| 41a |
| 22.4 |
| ||
| wg |
| 4100a |
| 22.4w |
故答案为：
| 4100a |
| 22.4w |
（6）由于AlN中的杂质可能是碳和Al2O3，而只碳不能与NaOH溶液反应，此时不溶固体为碳，样品中含有的杂质是C．
只要知道碳的质量与氨气的体积，根据氨气体积计算AlN质量，利用碳与AlN的质量之和与样品质量关系，可以确定是否含有其它杂质．
故答案为：碳；碳的质量．
问题4：II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．
故答案为：不可行；II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；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．
问题5：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．
戊同学设计的装置Ⅲ较合理，这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．
但戊同学仍未考虑到空气中的水蒸气或CO2的进入，否则，将造成反应后的总质量增大，相当于NH3的减少，导致结果偏低，故而应再加一个同样的干燥管．
故答案为：反应产生的氨气不可能被完全吸收；III；有； 偏低； 应再接一个与IV装置中完全相同的干燥管（或再接一个装有碱石灰的干燥管也行）．
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