Question

【題目】GaN憑借其出色的功率性能、頻率性能以及散熱性能，在光電領(lǐng)域和高頻微波器件應(yīng)用等方面有廣闊的前景。

(1) Johnson等人首次在1100℃下用鎵與氨氣制得氮化鎵，該可逆反應(yīng)每生成1 mol H2放出10.3 kJ熱量。該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式是_____。(己知金屬鎵的熔點(diǎn)是29.8℃，沸點(diǎn)是2403℃；氮化鎵的熔點(diǎn)為1700℃)

(2)在恒容密閉容器中，加入一定量的液態(tài)鎵與氨氣發(fā)生上述反應(yīng)，測得反應(yīng)平衡體系中NH3的體積分?jǐn)?shù)與壓強(qiáng)(p)、溫度(T)的關(guān)系如圖所示(已知圖中T1和T2的溫度均小于1700℃)。

①下列說法正確的是________(填標(biāo)號(hào))。

a.相同條件下，Ga(OH)3 的堿性比Al(OH)3強(qiáng)

b.當(dāng)c(NH3)=c(H2)時(shí)，一定達(dá)到了化學(xué)平衡狀態(tài)

c. A點(diǎn)和C點(diǎn)化學(xué)平衡常數(shù)的關(guān)系是：KA< KC

d.溫度一定時(shí)，達(dá)平衡后再充入氦氣(氦氣不參與反應(yīng))，NH3的轉(zhuǎn)化率增大.

②氣相平衡中用組分的平衡分壓代替物質(zhì)的量濃度也可以表示平衡常數(shù)(記作Kp)，已知在T1℃時(shí)體系的壓強(qiáng)初始?jí)簭?qiáng)為a Pa，則B點(diǎn)的Kp=____(用含a表示且保留2位有效數(shù)字)。

(3)電解精煉法提純鎵是工業(yè)上常用的方法。具體原理如圖所示：

已知：金屬的活動(dòng)性Zn>Ga>Fe>Cu；鎵化學(xué)性質(zhì)與鋁相似。

①M為電源的_______極，電解精煉鎵時(shí)產(chǎn)生陽極泥的主要成分是________。

②電解過程中陽極產(chǎn)生的離子遷移到達(dá)陰極并在陰極析出高純鎵。請(qǐng)寫出電解過程的陰極的電極反應(yīng)__________。

③電解過程中需控制合適的電壓，若電壓太高時(shí)陰極會(huì)產(chǎn)生H2導(dǎo)致電解效率下降。若外電路通過0.2mole時(shí)，陰極得到3.5g的鎵。則該電解裝置的電解效率η=_________(η=生成目標(biāo)產(chǎn)物消耗的電子數(shù)+轉(zhuǎn)移的電子總數(shù))。

Answer 1

【答案】2Ga(l)+2NH3(g)=2GaN(s)+3H2(g) H= -30.9kJ/mol ac 1.7aPa 負(fù)極 Fe、Cu GaO2-+3e-+2H2O=Ga+4OH- 75%

【解析】

（1）鎵與氨氣在1100℃下反應(yīng)生成氮化鎵和氫氣，寫出方程式，根據(jù)生成1 mol H2放出10.3 kJ熱量，計(jì)算滿足方程式中氫氣的物質(zhì)的量的熱量，即可正確書寫該熱化學(xué)方程式；

（2）①根據(jù)同主族元素性質(zhì)的遞變規(guī)律、達(dá)到平衡狀態(tài)的標(biāo)志、平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系、平衡移動(dòng)的條件作出判斷；

②結(jié)合圖像信息，2Ga(l)+2NH3(g)=2GaN(s)+3H2(g)，結(jié)合平衡時(shí)氨氣的體積分?jǐn)?shù)，計(jì)算出平衡時(shí)的總壓強(qiáng)，然后計(jì)算出氨氣、氫氣的分壓，最后計(jì)算反應(yīng)平衡常數(shù)；

（3）電解精煉法提純鎵，結(jié)合粗銅的精煉，可以判斷出粗鎵作陽極，高純鎵作陰極，寫陽極產(chǎn)物的時(shí)候要注意鎵失去電子變?yōu)殒夒x子，鎵離子與溶液中的氫氧根離子結(jié)合生成GaO2-，然后GaO2-在陰極得電子生成鎵。

（1）鎵與氨氣在1100℃下反應(yīng)生成氮化鎵和氫氣，反應(yīng)的方程式為2Ga(l)+2NH3(g)=2GaN(s)+3H2(g)，生成1 mol H2放出10.3 kJ熱量，故生成3 mol H2放出30.9 kJ熱量，該熱化學(xué)方程式為2Ga(l)+2NH3(g)=2GaN(s)+3H2(g) H= -30.9kJ/mol ；

（2）①a．鎵與鋁位于同一主族，同一主族從上到下，隨著核電荷數(shù)的增加，金屬性逐漸增強(qiáng)，金屬性越強(qiáng)，最高價(jià)氧化物對(duì)應(yīng)的水化物的堿性越強(qiáng)，故相同條件下，Ga(OH)3 的堿性比Al(OH)3強(qiáng)，a正確；

b．當(dāng)反應(yīng)物濃度或生成物濃度隨著時(shí)間的改變而不變，反應(yīng)達(dá)到平衡，當(dāng)c(NH3)=c(H2)時(shí)，反應(yīng)不一定達(dá)到了化學(xué)平衡狀態(tài)，b錯(cuò)誤；

c．2Ga(l)+2NH3(g)=2GaN(s)+3H2(g) H= -30.9kJ/mol，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越高，平衡時(shí)氨氣的體積分?jǐn)?shù)越大，并且溫度越高，化學(xué)平衡常數(shù)越小，結(jié)合圖像可知，T1T2，KA< KC，c正確；

d．體積不變，溫度一定時(shí)，達(dá)平衡后再充入氦氣(氦氣不參與反應(yīng))，反應(yīng)物、生成物的濃度不變，平衡不移動(dòng)，故NH3的轉(zhuǎn)化率不變，d錯(cuò)誤；

②2Ga(l)+2NH3(g)=2GaN(s)+3H2(g) ，令反應(yīng)開始前向容器中充入xmol氨氣，達(dá)到平衡時(shí)氨氣的轉(zhuǎn)化率為b，故平衡時(shí)氨氣的物質(zhì)的量為x(1-b)mol，氫氣的物質(zhì)的量為1.5bxmol，B點(diǎn)時(shí)，氨氣的體積分?jǐn)?shù)為0.4，即

=0.4，b=0.5，平衡時(shí)氨氣的物質(zhì)的量為0.5xmol，氫氣的物質(zhì)的量為0.75xmol，恒溫恒容的容器中，容器中總壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，平衡后的壓強(qiáng)為p6，x：(0.5x+0.75x)=a：p6，p6=1.25aPa，平衡時(shí)氨氣的分壓為0.4×1.25aPa=0.5aPa，氫氣的分壓為0.6×1.25aPa=0.75aPa，Kp==1.7aPa ；

（3）①電解精煉法提純鎵，粗鎵作陽極，高純鎵作陰極，則M為負(fù)極，N為正極；由金屬的活動(dòng)性Zn>Ga>Fe>Cu可知，Fe、Cu沒有Ga活潑，在陽極不發(fā)生反應(yīng)，Zn、Ga在陽極發(fā)生反應(yīng)，故電解精煉鎵時(shí)產(chǎn)生陽極泥的主要成分是Fe、Cu；

②Ga與Al在周期表中位于同一主族，故Ga在陽極的電極反應(yīng)式為Ga-3e-+4OH-=GaO2-+2H2O，陰極的電極反應(yīng)式為GaO2-+3e-+2H2O=Ga+4OH-；

③陰極得到3.5g的鎵，n(Ga)==0.05mol，陰極的電極反應(yīng)式為GaO2-+3e-+2H2O=Ga+4OH-，由陰極電極反應(yīng)式可知，陰極得到3.5g的鎵，得到的電子的物質(zhì)的量為3×0.05mol=0.15mol，所以該電解裝置的電解效率η==75% 。