Question

13．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．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：③Al₂O₃+3C+N₂ $\stackrel{高温}{→}$2AlN+3CO
完成下列问题：
（1）根据上述信息，判断AlN的晶体类型是原子晶体，在制取氮化铝时由于反应不完全，氮化铝产品中所含杂质除了碳以外还可能存在Al₂O₃；
（2）为测定该产品中有关成分的含量，甲、乙两同学设计了以下两个实验：
①甲同学：称取10.00g样品，将其加入过量的氢氧化钠溶液中共热并蒸干，AlN跟氢氧化钠溶液反应生成NaAlO₂，并放出氨气3.36L（标准状况）．上述反应的化学方程式为AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑，该样品中AlN的质量分数61.5%；
②乙同学：称取10.00g样品置于反应器中，通入2.016L（标准状况）O₂，在高温下充分反应（O₂消耗完）后测得气体的密度为1.34g•L^-1（已折成标准状况，AlN不跟O₂反应），该样品中含杂质碳1.92g．
（3）丙同学受到甲、乙同学实验的启发，认为测定某氮化铝中含有碳或氧化铝杂质，可用图9中I的一些装置来进行检验，根据AlN与NaOH溶液反应所生成氨气的体积来测定样品中氮化铝的质量分数，并根据实验现象来确定杂质的成分（实验中导管体积忽略不计）实验有关操作为：①往锥形瓶中放入适量的AlN样品：②从分液漏斗往锥形瓶中加入过量的浓NaOH；③检验装置的气密性；④测定收集到水的体积．正确的操作顺序为c、a、b、d；
①广口瓶中的试剂X可选用C（填选项的标号）；
A．苯         B．酒精          C．植物油          D．CCl₄
②若实验中测得样品的质量为wg，氨气的体积为aL（标况下），则样品中AlN的质量分数为$\frac{4100a}{22.4w}$%；
（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？不可行（填入“可行”、“不可行”），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．

Answer 1

分析 （1）依据题干信息“类金刚石氮化物”，通过硅类推AlN的晶体类型为原子晶体；根据物质不一定完全反应进行判断；
（2）①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，据此得到方程式．
生成0.15molNH₃，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，根据m=nM计算AlN的质量，再根据质量分数定义计算；
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，根据氧原子守恒和平均相对分子质量的计算，列放出计算x、y的值，样品中n（C）=（x+y）mol，据此计算样品中碳的质量；
（3）制取气体时，为防止装置漏气应在连接装置后立即进行装置气密性检查，确定装置不漏气后，本着先加固体后加液体的原则加入药品；最后进行气体的收集与测量；
①产生的氨气极易溶于水，为防止氨气溶于水需要把气体与水隔离，因此应选择不能与氨气产生作用的液体作为隔离液；选用的试剂应是和水不互溶，且密度大于水的；②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；
（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．

解答 解：（1）依据题干信息“类金刚石氮化物”，通过硅类推AlN的晶体类型为原子晶体；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：原子晶体；Al₂O₃；
（2）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↑，生成NH₃的物质的量为$\frac{3.36L}{22.4L/mol}$=0.15mol，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，AlN的质量为0.15mol×41g/mol=6.15g，样品中AlN的质量分数为$\frac{6.15g}{10.0g}$×100%=61.5%，
故答案为：AlN+NaOH+H₂O=NaAlO₂+NH₃↑；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；
（3）应先进行装置气密性检验，然后依次加入固体药品、液体药品，最后进行气体排出水的测量，确定产生气体体积；
故答案为：c、a、b、d；
①苯易挥发，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；CCl₄密度大于水，不能起到隔离作用．而植物油既不溶于水，密度小于水也不易挥发，可以把氨气与水进行隔离；
故答案为：C；
②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$\frac{\frac{41a}{22.4}g}{wg}$×100%=$\frac{4100a}{22.4w}$%，故答案为：$\frac{4100a}{22.4w}$%；
（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；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．

点评 本题考查对实验原理的理解与实验操作评价、物质含量测定、化学计算等，难度中等，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．