Question

【題目】GaN憑借其出色的功率性能、頻率性能以及散熱性能，在光電領域和高頻微波器件應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，該可逆反應每生成1 mol H2放出10.3 kJ熱量。該反應的熱化學方程式是_____。(己知金屬鎵的熔點是29.8℃，沸點是2403℃；氮化鎵的熔點為1700℃)

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

①下列說法正確的是________(填標號)。

a.相同條件下，Ga(OH)3 的堿性比Al(OH)3強

b.當c(NH3)=c(H2)時，一定達到了化學平衡狀態

c. A點和C點化學平衡常數的關系是：KA< KC

d.溫度一定時，達平衡后再充入氦氣(氦氣不參與反應)，NH3的轉化率增大.

②氣相平衡中用組分的平衡分壓代替物質的量濃度也可以表示平衡常數(記作Kp)，已知在T1℃時體系的壓強初始壓強為a Pa，則B點的Kp=____(用含a表示且保留2位有效數字)。

(3)電解精煉法提純鎵是工業上常用的方法。具體原理如圖所示：

已知：金屬的活動性Zn>Ga>Fe>Cu；鎵化學性質與鋁相似。

①M為電源的_______極，電解精煉鎵時產生陽極泥的主要成分是________。

②電解過程中陽極產生的離子遷移到達陰極并在陰極析出高純鎵。請寫出電解過程的陰極的電極反應__________。

③電解過程中需控制合適的電壓，若電壓太高時陰極會產生H2導致電解效率下降。若外電路通過0.2mole時，陰極得到3.5g的鎵。則該電解裝置的電解效率η=_________(η=生成目標產物消耗的電子數+轉移的電子總數)。

Answer 1

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

【解析】

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

（2）①根據同主族元素性質的遞變規律、達到平衡狀態的標志、平衡常數與溫度的關系、平衡移動的條件作出判斷；

②結合圖像信息，2Ga(l)+2NH3(g)=2GaN(s)+3H2(g)，結合平衡時氨氣的體積分數，計算出平衡時的總壓強，然后計算出氨氣、氫氣的分壓，最后計算反應平衡常數；

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

（1）鎵與氨氣在1100℃下反應生成氮化鎵和氫氣，反應的方程式為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，隨著核電荷數的增加，金屬性逐漸增強，金屬性越強，最高價氧化物對應的水化物的堿性越強，故相同條件下，Ga(OH)3 的堿性比Al(OH)3強，a正確；

b．當反應物濃度或生成物濃度隨著時間的改變而不變，反應達到平衡，當c(NH3)=c(H2)時，反應不一定達到了化學平衡狀態，b錯誤；

c．2Ga(l)+2NH3(g)=2GaN(s)+3H2(g) H= -30.9kJ/mol，該反應為放熱反應，溫度越高，平衡時氨氣的體積分數越大，并且溫度越高，化學平衡常數越小，結合圖像可知，T1T2，KA< KC，c正確；

d．體積不變，溫度一定時，達平衡后再充入氦氣(氦氣不參與反應)，反應物、生成物的濃度不變，平衡不移動，故NH3的轉化率不變，d錯誤；

②2Ga(l)+2NH3(g)=2GaN(s)+3H2(g) ，令反應開始前向容器中充入xmol氨氣，達到平衡時氨氣的轉化率為b，故平衡時氨氣的物質的量為x(1-b)mol，氫氣的物質的量為1.5bxmol，B點時，氨氣的體積分數為0.4，即

=0.4，b=0.5，平衡時氨氣的物質的量為0.5xmol，氫氣的物質的量為0.75xmol，恒溫恒容的容器中，容器中總壓強之比等于物質的量之比，平衡后的壓強為p6，x：(0.5x+0.75x)=a：p6，p6=1.25aPa，平衡時氨氣的分壓為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為負極，N為正極；由金屬的活動性Zn>Ga>Fe>Cu可知，Fe、Cu沒有Ga活潑，在陽極不發生反應，Zn、Ga在陽極發生反應，故電解精煉鎵時產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在陽極的電極反應式為Ga-3e-+4OH-=GaO2-+2H2O，陰極的電極反應式為GaO2-+3e-+2H2O=Ga+4OH-；

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