Question

3．锗是重要的半导体材料，应用于航空航天测控、光纤通讯等领域．一种提纯二氧化锗粗品（主要含GeO₂、As₂O₃）的工艺如下：

已知：GeCl₄的熔点为-49.5℃，AsCl₃与GeCl₄的沸点分别为130.2℃、84℃．
（1）锗在元素周期表中的位置为第四周期第ⅣA族．
（2）“碱浸”过程中的化学反应方程式为GeO₂+2NaOH═Na₂GeO₃+H₂O As₂O₃+2NaOH═2NaAsO₂+H₂O．
（3）传统的提纯方法是将粗品直接加入盐酸中蒸馏，其缺点是馏出物中将会含有AsCl₃，降低了产品纯度．
（4）工业上与蒸馏操作相关的设备有AC（填字母序号）．
A．蒸馏釜    B．离心萃取机    C．冷凝塔   D．加压过滤机
（5）“蒸馏”过程中的化学反应方程式为Na₂GeO₃+6HCl═2NaCl+GeCl₄+3H₂O．
（6）“水解”操作时保持较低温度有利于提高产率，其最可能的原因是该水解反应为放热反应，温度较低时反应平衡常数较大，反应物平衡转化率更高；或温度高时GeCl4易挥发降低产率（答一条即可）．
（7）若1吨二氧化锗粗品（含杂质30%）经提纯的0.724吨的高纯二氧化锗产品，则杂质脱除率为92%．

Answer 1

分析 （1）主族元素锗与碳、硅同主族．
（2）GeO₂溶于强碱溶液，生成锗酸盐；As₂O₃类似氧化铝，与氢氧化钠反应生成NaAsO₂．
（3）将粗品直接加入盐酸，生成氯化物GeCl₄、AsCl₃，从已知条件给出的沸点看出，不便分离．
（4）教材上的蒸馏实验用到的蒸馏烧瓶、冷凝器．对比可知工业上与蒸馏操作相关的设备．
（5）根据前面反应得到的锗酸盐以及蒸馏加的盐酸，目标产物是GeCl₄ ，根据化合价不变，再写出反应．
（6）温度与化学平衡常数的关系；另外考虑氯化物的沸点低，高温易挥发．
（7）被除掉杂质的质量除以杂质的总质量就可得到杂质脱除率．

解答 解：（1）第ⅣA族主族元素有碳、硅、锗、锡、铅，所以锗在第四周期第ⅣA族．
故答案为：第四周期第ⅣA族
（2）从后面的工艺可知碱浸过程中的化学反应化合价是没有改变的．硅与锗同主族，二氧化硅与强碱反应生成硅酸盐和水，GeO₂溶于强碱溶液，生成锗酸盐和水，其中锗的化合价是+4价，类似Na₂CO₃、Na₂SiO₃；
As₂O₃类似氧化铝，氧化铝与氢氧化钠反应生成偏铝酸钠（NaAlO₂）和水，As₂O₃与氢氧化钠反应生成亚砷酸钠（NaAsO₂）和水，
故答案为：GeO₂+2NaOH═Na₂GeO₃+H₂O    As₂O₃+2NaOH═2NaAsO₂+H₂O 
（3）将粗品直接加入盐酸，生成氯化物GeCl₄、AsCl₃氯，化物的沸点都较低，从已知条件也能看出，不便分离．也就是馏出物中将会含有AsCl₃，降低了产品纯度．
故答案为：馏出物中将会含有AsCl3，降低了产品纯度．
（4）教材上的蒸馏实验用到的蒸馏烧瓶、冷凝器．工业上与蒸馏操作相关的设备有蒸馏釜、冷凝塔．所以选择A、C．
故答案为：AC
（5）根据前面反应得到的锗酸盐以及蒸馏加的盐酸，这些是反应物，目标产物是GeCl₄ ，化合价不变，推出另外的产物为氯化钠和水．
故答案为：Na₂GeO₃+6HCl═2NaCl+GeCl₄+3H₂O
（6）温度对化学平衡的影响是降温向放热方向移动，说明水解方向为放热，温度较低时反应平衡常数较大，反应物平衡转化率更高；另外是考虑氯化物的沸点低，高温易挥发降低产率．
故答案为：该水解反应为放热反应，温度较低时反应平衡常数较大，反应物平衡转化率更高；或温度高时GeCl4易挥发降低产率．
（7）1吨二氧化锗粗品（含杂质30%），二氧化锗的质量是0.7吨，杂质总质量0.3吨，经提纯得到0.724吨产品，说明还有杂质0.024吨，杂质脱除了0.276吨，杂质脱除率是：被除掉杂质的质量除以杂质的总质量，即$\frac{0.276}{0.3}$×100%=92%．
故答案为：92%

点评 除第一小题外，其余各小题都有一定难度，比如第2、4小题，考查物质性质相似性，化学类推思维，教材迁移能力，第5小题是陌生化学方程式的书写，还有第6、7小题需要学生有应变能力，学习化学实际处理问题的能力．