Question

【题目】镓是一种低熔点高沸点的稀有金属，有“电子工业脊梁”的美誉，被广泛应用到光电子工业和微波通信工业；镓（Ga）与铝位于同一主族，金属镓的熔点是29.8℃，沸点是2403℃。

（1）工业上利用Ga(l)与NH3(g)在1000℃高温下合成半导体固体材料氮化镓（GaN），同时生成氢气，每生成lmol H2时放出10.3 kJ热量。写出该反应的热化学方程式__________________。

（2）在密闭容器中，充入一定量的Ga与NH3发生反应，实验测得反应平衡体系中NH3的体积分数与压强P和温度T的关系曲线如图1所示。

① 图1中A点和C点化学平衡常数的大小关系是：KA_____KC，（填“＜”、“＝”或“＞”），理由是__________________________________________________。

② 该反应在T1和P6条件下至3min时达到平衡，此时改变条件并于D点处重新达到平衡，H2的浓度随反应时间的变化趋势如图2所示（3～4 min的浓度变化未表示出来），则改变的条件为__________（仅改变温度或压强中的一种）。

（3）若用压强平衡常数Kp表示，此时B点对应的Kp＝__________（用含P6的式子表示）（Kp为压强平衡常数，用平衡分压代替平衡浓度计算，气体平衡分压=总压×气体体积分数）

（4）电解精炼法提纯镓的具体原理如下：以粗镓（含Zn、Fe、Cu杂质）为阳极，以高纯镓为阴极，以NaOH溶液为电解质。在电流作用下使粗镓溶解进入电解质溶液，并通过某种离子迁移技术到达阴极并在阴极放电析出高纯镓。

①已知离子氧化性顺序为：Zn2＋＜Ga3＋＜Fe2＋＜Cu2＋。电解精炼镓时阳极泥的成分是_________。

②阳极溶解生成的Ga3＋与NaOH溶液反应生成GaO2-，写出GaO2-在阴极放电的电极反应式是_____________。

Answer 1

【答案】 2Ga(l)+2NH3(g)＝2GaN(s)+3H2(g) ΔH=-30.9 kJ·mol-1 ＜ 由第1问可知该反应为放热反应，其他条件一定时，温度升高， 平衡逆向移动，此时NH3的体积分数越大而K值减小 减小压强 Fe、Cu GaO2- + 3e- + 2H2O = Ga+4OH-

【解析】(1)反应的方程式为2Ga(s)+2NH3(g)2GaN(s)+3H2(g)，生成3mol H2时放出30.9kJ的热量，可知热化学方程式为2Ga(s)+2NH3(g)2GaN(s)+3H2(g)△H=-30.9kJ/mol，故答案为：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，为放热反应，对于放热反应而言，温度升高，平衡逆向移动，K减小，A点平衡常数小于C点平衡常数，故答案为：＜；对于放热反应而言，其他条件一定时，温度升高， 平衡逆向移动，此时NH3的体积分数越大而K值减小；

②结合图示，改变的外界条件是降低压强，气体的体积增大，氢气的浓度减小，平衡向气体体积增大的方向进行，随后，氢气的浓度又逐渐增大，但会小于原平衡的浓度，故答案为：减小压强；

(3)2Ga(s)+2NH3(g)2GaN(s)+3H2(g)，用某组份(B)的平衡压强(PB)代替物质的量浓度(CB)也可以表示平衡常数(记作Kp)，且PB=P×B的体积分数。则该反应的化学平衡常数表达式(Kp)==，故答案为：；

(4)①离子氧化性顺序为：Zn2+＜Ga3+＜Fe2+＜Cu2+，则金属还原性顺序为Zn＞Ge＞Fe＞Cu，则阳极上Zn、Ge失电子进入电解质溶液，Fe、Cu以金属单质形成阳极泥，则阳极泥成分是Fe、Cu，故答案为：Fe和Cu；

②镓在阳极溶解生成的Ga3+与NaOH溶液反应生成GaO2-，该反应的离子方程式为Ga3++4OH-=GaO2-+2H2O；阴极上GaO2-得电子发生还原反应生成Ga，电极反应式为GaO2-+3e-+2H2O=Ga+4OH-；故答案为：GaO2-+3e-+2H2O=Ga+4OH-。