题目内容
【题目】氮化镓(GaN)是一种重要的半导体材料。某工厂利用铝土矿(成分为Al2O3、Ga2O3、Fe2O3等)为原料制备GaN的流程如下图所示:
已知:镓与铝同主族,镓的熔点是29.8°C,沸点是2403°C;其氧化物和氢氧化物均为两性化合物;氢氧化物的电离常数如下:
两性氢氧化物 | Al( OH)3 | Ga( OH)3 |
酸式电离常数Ka | 2×10-11 | 1×10-7 |
碱式电离常数Kb | 1.3×10-33 | 1.4×10-34 |
回答下列问题:
(1)为了提高 “碱溶”效率应采用的措施是__________(回答两种措施)。
(2)滤渣1的成分是_________。
(3)滤液2中通入过量CO2的理由是________(用离子方程式表示)。
(4)流程中利用镓与NH3在1000℃反应生成固体半导体材料 GaN,每生成l molGaN时放出15. 45 kJ热量,写出该反应的热化学方程式________。
(5)在密闭容器中,充入一定量的Ga与NH3发生反应 ,测得反应平衡体系中NH3的体积分数与压强 P和温度T 的关系曲线如下图所示。图中A 点和C点化学平衡常数的大小关系: KA____KC (填“<”“=”或 “ > ”) , 判断的依据是________。
(6)已知铝土矿中Ga2O3的质量分数为 a%,某工厂使用 w 吨铝土矿经过一系列反应, 反应过程中镓元素的总利用率为 b%能制得________吨氮化镓
【答案】搅拌、适当提高温度、粉碎、适当提高溶液浓度等 Fe2O3 [Ga(OH)4]-+CO2= Ga(OH)3↓+或
+ CO2+ 2H2O= Ga(OH)3↓+
2Ga(l) + 2NH3 ( g)
2GaN(s) +3H2(g) △H = -30. 9kJmol-1 < 由 C 点 到 B 点 , NH3体积分数增大 ,说明 T1 > T2 ;反应放热 ,升高温度 , K 减小 ,所以 KA < KC
【解析】
根据让固体加速溶解可采取的方法来解答;根据题中信息,Al2O3、Ga2O3均与NaOH反应,Fe2O3不与NaOH反应而进入滤渣中;根据AlO2-与过量的CO2反应的离子方程式类似写出GaO2-与CO2(过量)反应的离子方程式;由△H<0,根据图象判断T1、T2的高低和KA,KC的大小;由镓元素守恒,可计算生产GaN的质量,据此解答。
(1)为了提高碱溶效率可以将固体粉碎、搅拌、适当升高温度等,均能加速固体的溶解,也可适当提高NaOH溶液的浓度提高碱溶效率;答案为粉碎、搅拌、适当升高温度、适当提高溶液浓度等。
(2)根据铝土矿的成分为Al2O3、Ga2O3、Fe2O3等,由题中信息,镓与铝同主族,其氧化物和氢氧化物均为两性化合物,可知,加入NaOH溶液“碱溶”,Al2O3、Ga2O3均与NaOH反应进入溶液中,而Fe2O3不与NaOH反应,仍以固体形式存在,过滤时进入滤渣中,滤渣1的成分是Fe2O3;答案为Fe2O3。
(3)因为滤液2中主要是GaO2-离子,通入过量的CO2,CO2与GaO2-发生反应,生成Ga(OH)3沉淀,则离子方程式为GaO2-+CO2+2H2O=Ga(OH)3↓+HCO3-或[Ga(OH)4]-+CO2= Ga(OH)3↓+;答案为GaO2-+CO2+2H2O=Ga(OH)3↓+HCO3-或。[Ga(OH)4]-+CO2= Ga(OH)3↓+
(4)因为镓的熔点是29.8°C,沸点是2403°C,在1000℃时,镓为液体,与NH3反应生成固体GaN,则反应的化学方程式为Ga+2NH32GaN+3H2,根据每生成l molGaN时放出15. 45 kJ热量,生成2molGaN时放出30.9kJ热量,热化学方程式为2Ga(l)+2NH3(g)
2GaN(s)+3H2(g)△H= -30.9kJ/mol;答案为2Ga(l)+2NH3(g)
2GaN(s)+3H2(g)△H= -30.9kJ/mol。
(5)反应为放热反应,温度升高有利于逆反应,由C点到B点,氨气的体积分数增大,说明T1>T2,升温逆向移动,K减小,则KB<KC,而A点和B点是同温,KA=KB,故KA<KC;答案为<,△H<0,温度升高,平衡逆向移动,此时NH3的体积分数增大而K值减小;
(6)设制得x吨氮化镓,根据镓元素守恒,得,则x=
=
(吨);答案为
吨。
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