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定所得樣品中氮化鋁的質(zhì)量分數(shù)的實驗．
【實驗一】制取氮化鋁樣品
【查閱資料】在高溫下氮氣、碳和三氧化二鋁反應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．
【實驗設計】興趣小組的同學分成甲、乙兩組，分別設計了實驗．
甲組：利用空氣為原料，除去其它成分來獲得氮氣，進而和碳、三氧化二鋁反應制取氮化鋁．
請回答：
（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中反應的化學方程式

 

；
乙組：利用氨氣為原料與氧化銅反應來獲得氮氣，再和碳、三氧化二鋁反應制取氮化鋁．

請回答：如果ⅰ中玻璃管內(nèi)固體變成紅色，ⅱ明顯增重，請寫出ⅰ中發(fā)生反應的化學方程式

 

；
【實驗反思】
（1）請從環(huán)保角度指出甲、乙兩組實驗設計中相同的不足之處：

 

；
（2）請比較、評價甲、乙兩組實驗設計中獲得氮氣的方法：

 

；
【實驗二】測定所制氮化鋁樣品中氮化鋁的質(zhì)量分數(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．
【實驗設計1】甲組：用圖Ⅰ裝置使氮化鋁樣品和NaOH濃溶液反應，根據(jù)反應中所生成氨氣的體積來測定樣品中的氮化鋁的質(zhì)量分數(shù)．

【實驗反思】該設計中存在兩大問題會引起偏差，請根據(jù)偏差結(jié)果填寫引起相應偏差的原因：
【實驗設計2】乙組：實驗步驟如下：
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重復實驗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
 
【實驗討論】
（1）步驟①加入樣品前還應檢查

 

．
（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，測定結(jié)果會

 

（填“偏大”或“偏小”）．
（4）步驟④的目的是

 

．
【實驗結(jié)論】計算所制氮化鋁樣品中氮化鋁的質(zhì)量分數(shù)．

Answer 1

分析：【實驗一】
甲組：（1）根據(jù)氫氧化鈉溶液與濃硫酸在實驗中的作用，分析當兩種裝置互換位置對實驗的影響；
（2）根據(jù)對反應的說明，在高溫下氮氣、碳和三氧化二鋁反應可以生成氮化鋁粉和一氧化碳，寫出反應的化學方程式；
乙組：根據(jù)實驗中所出現(xiàn)的現(xiàn)象，推斷ⅰ中發(fā)生的反應，寫出該反應的化學方程式；
【實驗反思】（1）對比兩種實驗方案，對反應后生成CO的處理進行分析，判斷實驗設計中的問題；
（2）對比兩種實驗方案，對獲得氮氣的實驗過程進行比較，評價獲得氮氣方案的優(yōu)缺點；
【實驗二】
【實驗反思】根據(jù)資料中氨氣易溶于水的信息，分析實驗中存在的用排水法測定氨氣體積中的問題，判斷該問題對實驗結(jié)果的影響；
【實驗討論】（1）根據(jù)對實驗操作中需要確保裝置氣密性的認識，判斷實驗開始之前應進行的操作；
（2）根據(jù)裝置中藥品或儀器的使用方法，分析實驗中所涉及裝置的作用，判斷所指定裝置對實驗的影響；
（3）對比濃硫酸與稀硫酸在實驗中作用的異同，判斷用濃硫酸代替稀硫酸對實驗結(jié)果的影響；
（4）分析緩緩通入空氣的操作對實驗中殘留氣體的影響，推斷該操作在實驗過程中的目的；
【實驗結(jié)論】利用所測得氨氣的質(zhì)量，根據(jù)反應的化學方程式計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)量分數(shù)．

解答：解：【實驗一】
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：在高溫下氮氣、碳和三氧化二鋁反應可以生成氮化鋁粉和一氧化碳，裝置D中發(fā)生反應化學方程式為：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)合該反應能得到氮氣的實驗目的，裝置i中發(fā)生反應的化學方程式為2NH₃+3CuO

△   .

3Cu+3H₂O+N₂；
【實驗反思】（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造成空氣的污染，因此實驗中沒有對尾氣進行處理會造成空氣污染；
（2）甲組利用空氣中含有78%的氮氣資源獲得氮氣，相對較乙組由氨氣獲得的方法而言，甲組的實驗不受實驗室藥品的限制；而甲組需要經(jīng)過三步實驗才能得到氮氣，而乙組一步實驗即獲得了氮氣，所以，甲組實驗相對繁瑣；
【實驗二】
【實驗反思】實驗過程中測量氨氣體積時，氣體體積會受壓強的不同而造成較大誤差，而且實驗中用排出水的方法測量體積，由于氨氣易溶于水，所測得體積一定會小于實際體積，導致結(jié)果偏�。�
【實驗討論】（1）在進行實驗前要確保裝置氣密性良好，因此應先進行氣密性的檢查；
（2）堿石灰能吸收氣體中的水，防止水對測量質(zhì)量的影響；使用漏斗進行氨氣的吸收，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，使得測量氨氣質(zhì)量偏大，而使結(jié)果偏大；
（4）從導管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，以保證實驗的準確性；
【實驗結(jié)論】反應生成氨氣的質(zhì)量=203.4g-200g=3.4g，設氮化鋁的質(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)量分數(shù)=

8.2g

9.1g

×100%=90%．
故答案為：
【實驗一】
甲組：（1）水；（2）N₂+3C+Al₂O₃

△   .

2AlN+3CO；
乙組：2NH₃+3CuO

△   .

3Cu+3H₂O+N₂；
【實驗反思】（1）未對反應生成的CO進行處理而直接排放到空氣中；（2）甲組利用空氣獲得氮氣，可以不受藥品限制，但操作方法過于繁瑣；
【實驗二】
【實驗反思】沒有考慮氨氣溶于水而會使測定結(jié)果偏�。惑w積的測量會因壓強等其它因素的影響而不準確；
【實驗討論】（1）裝置氣密性；（2）除去氣體中的水；防止液體倒吸；（3）偏大；（4）使反應產(chǎn)生的氨氣充分吸收；
【實驗結(jié)論】反應生成氨氣的質(zhì)量=203.4g-200g=3.4g，設氮化鋁的質(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)量分數(shù)=

8.2g

9.1g

×100%=90%．

點評：通過閱讀整個實驗過程，理解實驗的原理、操作方法及實驗目的，為解答此類問題所要著力完成的基礎．