Question

【題目】鎵是一種低熔點高沸點的稀有金屬，有“電子工業脊梁”的美譽，被廣泛應用到光電子工業和微波通信工業；鎵（Ga）與鋁位于同一主族，金屬鎵的熔點是29.8℃，沸點是2403℃。

（1）工業上利用Ga(l)與NH3(g)在1000℃高溫下合成半導體固體材料氮化鎵（GaN），同時生成氫氣，每生成lmol H2時放出10.3 kJ熱量。寫出該反應的熱化學方程式__________________。

（2）在密閉容器中，充入一定量的Ga與NH3發生反應，實驗測得反應平衡體系中NH3的體積分數與壓強P和溫度T的關系曲線如圖1所示。

① 圖1中A點和C點化學平衡常數的大小關系是：KA_____KC，（填“＜”、“＝”或“＞”），理由是__________________________________________________。

② 該反應在T1和P6條件下至3min時達到平衡，此時改變條件并于D點處重新達到平衡，H2的濃度隨反應時間的變化趨勢如圖2所示（3～4 min的濃度變化未表示出來），則改變的條件為__________（僅改變溫度或壓強中的一種）。

（3）若用壓強平衡常數Kp表示，此時B點對應的Kp＝__________（用含P6的式子表示）（Kp為壓強平衡常數，用平衡分壓代替平衡濃度計算，氣體平衡分壓=總壓×氣體體積分數）

（4）電解精煉法提純鎵的具體原理如下：以粗鎵（含Zn、Fe、Cu雜質）為陽極，以高純鎵為陰極，以NaOH溶液為電解質。在電流作用下使粗鎵溶解進入電解質溶液，并通過某種離子遷移技術到達陰極并在陰極放電析出高純鎵。

①已知離子氧化性順序為：Zn2＋＜Ga3＋＜Fe2＋＜Cu2＋。電解精煉鎵時陽極泥的成分是_________。

②陽極溶解生成的Ga3＋與NaOH溶液反應生成GaO2-，寫出GaO2-在陰極放電的電極反應式是_____________。

Answer 1

【答案】 2Ga(l)+2NH3(g)＝2GaN(s)+3H2(g) ΔH=-30.9 kJ·mol-1 ＜ 由第1問可知該反應為放熱反應，其他條件一定時，溫度升高， 平衡逆向移動，此時NH3的體積分數越大而K值減小 減小壓強 Fe、Cu GaO2- + 3e- + 2H2O = Ga+4OH-

【解析】(1)反應的方程式為2Ga(s)+2NH3(g)2GaN(s)+3H2(g)，生成3mol H2時放出30.9kJ的熱量，可知熱化學方程式為2Ga(s)+2NH3(g)2GaN(s)+3H2(g)△H=-30.9kJ/mol，故答案為：2Ga(s)+2NH3(g)2GaN(s)+3H2(g)△H=-30.9kJ/mol；

(2)①2Ga(s)+2NH3(g)2GaN(s)+3H2(g)△H=-30.9kJ/mol，為放熱反應，對于放熱反應而言，溫度升高，平衡逆向移動，K減小，A點平衡常數小于C點平衡常數，故答案為：＜；對于放熱反應而言，其他條件一定時，溫度升高， 平衡逆向移動，此時NH3的體積分數越大而K值減小；

②結合圖示，改變的外界條件是降低壓強，氣體的體積增大，氫氣的濃度減小，平衡向氣體體積增大的方向進行，隨后，氫氣的濃度又逐漸增大，但會小于原平衡的濃度，故答案為：減小壓強；

(3)2Ga(s)+2NH3(g)2GaN(s)+3H2(g)，用某組份(B)的平衡壓強(PB)代替物質的量濃度(CB)也可以表示平衡常數(記作Kp)，且PB=P×B的體積分數。則該反應的化學平衡常數表達式(Kp)==，故答案為：；

(4)①離子氧化性順序為：Zn2+＜Ga3+＜Fe2+＜Cu2+，則金屬還原性順序為Zn＞Ge＞Fe＞Cu，則陽極上Zn、Ge失電子進入電解質溶液，Fe、Cu以金屬單質形成陽極泥，則陽極泥成分是Fe、Cu，故答案為：Fe和Cu；

②鎵在陽極溶解生成的Ga3+與NaOH溶液反應生成GaO2-，該反應的離子方程式為Ga3++4OH-=GaO2-+2H2O；陰極上GaO2-得電子發生還原反應生成Ga，電極反應式為GaO2-+3e-+2H2O=Ga+4OH-；故答案為：GaO2-+3e-+2H2O=Ga+4OH-。