Question

【題目】鎵(Ga)被譽為第三代半導體的明屋元素，廣泛應用于電子工業。Ga位于周期表的第四周期，與A1同主族，主要存在Ga3+、GaO2-兩種離子形態。

(1)請畫出Ga的原子結構示意圖___________。

(2)請寫出Ga2O3溶解在NaOH溶液中的離子方程式_________________。

(3)氮化鎵(GaN)可用于制作藍色LED光源。GaN的傳統工藝是用GaCl3與NH3反應來制備，新工藝則采用金屬Ga與NH3在一定條件下來合成。已知:

①GaCl3(s)+NH3(g)=GaN(s)+3HCl(g) H1=+180kJ/mol

②2Ga(s)+6HCl(g)=2GaCl3(s)+3H2(g)H2=-492kJ/mol

③Ga(s)+NH3(g)=GaN(s)+3/2H2(g) H3

由上述反應可知H3=_____________。

已知H-H的鍵能為436kJ/mol，結合上圖分析，1molGaN含有_____molGa-N鍵，拆開lmolGa-N鍵所需能量為______kJ。

(4)工業上多用電解精煉法提純鎵。具體原理如下圖所示:

已知:金屬的活動性Zn>Ga>Fe>Cu

①A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放電析出高純鎵。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0.4mole-時，陰極得到7.0g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】 Ga2O3+2OH-=2 GaO2-+H2O -66kJ/mol 4 370.5 負 Fe、Cu GaO2-+3e-+2H2O =Ga+ 4OH- 75%

【解析】（1）Ga位于周期表的第四周期，ⅢA族畫出原子結構示意圖；

（2）Ga2O3溶解在NaOH溶液中的反應類似于Al2O3在氫氧化鈉溶液中的反應；

（3）根據蓋斯定律進行計算；根據題干圖示進行判斷；

（4）①根據電解池原理進行判斷電源的正負極，根據金屬放電順序判斷陽極泥的成分；

②根據電解池原理寫出陰極的電極反應式；

③根據得失電子守恒進行計算，確定電解效率。

（1）Ga位于周期表的第四周期，ⅢA族，所以其有4個電子層，核電荷數是31，原子結構示意圖：，正確答案：；

（2）Ga2O3溶解在NaOH溶液的反應類似于Al2O3在氫氧化鈉溶液中的反應，Ga2O3在NaOH溶液主要存在GaO2-離子，所以其反應的離子方程式：Ga2O3+2OH-=2 GaO2-+H2O，正確答案：Ga2O3+2OH-=2 GaO2-+H2O；

（3）根據蓋斯定律，將H3=[①×2+②]÷2=-66KJ/mol；根據圖示分析，1molGaN含有4molGa-N鍵；

Ga(s)+NH3(g)=Ga(g)+3H(g)+N（g） H4=+2070KJ/mol，

Ga(s)+NH3(g)=GaN(s)+3/2H2(g) H3=-66KJ/mol

H2（g）=2H（g） H5=+436kJ/mol

根據蓋斯定律得：GaN(s)= Ga(g)+ N（g）H6=+1482KJ/mol，所以拆開lmolGa-N鍵所需能量為1482KJ/4=370.5kJ，正確答案：-66kJ/mol；4；370.5；

（4）①根據圖示：與電源A相連的是高純度Ga，高純度Ga應該在陰極，所以A級是電源的負極；根據金屬的活動性Zn>Ga>Fe>Cu，Fe、Cu在陽極不能夠失去電子，所以陽極泥主要成分是Fe、Cu，正確答案：負極；Fe、Cu；

②陽極Ga溶于氫氧化鈉溶液生成GaO2-，GaO2-離子遷移到達陰極并在陰極放電析出高純鎵，陰極的電極反應GaO2-+3e-+2H2O =Ga+ 4OH-，正確答案：GaO2-+3e-+2H2O =Ga+ 4OH-；

③外電路通過0.4mole-時，根據陰極的電極反應GaO2-+3e-+2H2O =Ga+ 4OH-可知，陰極析出7.0gGa，轉移的電子的物質的量：n（e-）=3×7g÷69.7g/mol=0.3mol，所以該電解裝置的電解效率η=0.3mol÷0.4mol×100%=75%，正確答案：75%。