Question

【題目】氮化鎵(GaN)是一種重要的半導體材料。某工廠利用鋁土礦(成分為Al2O3、Ga2O3、Fe2O3等)為原料制備GaN的流程如下圖所示：

已知：鎵與鋁同主族，鎵的熔點是29.8°C，沸點是2403°C；其氧化物和氫氧化物均為兩性化合物；氫氧化物的電離常數如下：

兩性氫氧化物	Al( OH)3	Ga( OH)3
酸式電離常數Ka	2×10-11	1×10-7
堿式電離常數Kb	1.3×10-33	1.4×10-34

回答下列問題：

(1)為了提高 “堿溶”效率應采用的措施是__________(回答兩種措施）。

(2)濾渣1的成分是_________。

(3)濾液2中通入過量CO2的理由是________(用離子方程式表示）。

(4)流程中利用鎵與NH3在1000℃反應生成固體半導體材料 GaN，每生成l molGaN時放出15. 45 kJ熱量，寫出該反應的熱化學方程式________。

(5)在密閉容器中，充入一定量的Ga與NH3發生反應 ，測得反應平衡體系中NH3的體積分數與壓強 P和溫度T 的關系曲線如下圖所示。圖中A 點和C點化學平衡常數的大小關系： KA____KC (填“＜”“＝”或 “ > ”) ， 判斷的依據是________。

(6)已知鋁土礦中Ga2O3的質量分數為 a%，某工廠使用 w 噸鋁土礦經過一系列反應， 反應過程中鎵元素的總利用率為 b%能制得________噸氮化鎵

Answer 1

【答案】攪拌、適當提高溫度、粉碎、適當提高溶液濃度等 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 點 到 B 點 ， NH3體積分數增大 ，說明 T1 > T2 ；反應放熱 ，升高溫度 ， K 減小 ，所以 KA < KC

【解析】

根據讓固體加速溶解可采取的方法來解答；根據題中信息，Al2O3、Ga2O3均與NaOH反應，Fe2O3不與NaOH反應而進入濾渣中；根據AlO2-與過量的CO2反應的離子方程式類似寫出GaO2-與CO2(過量)反應的離子方程式；由△H<0，根據圖象判斷T1、T2的高低和KA，KC的大小；由鎵元素守恒，可計算生產GaN的質量，據此解答。

（1）為了提高堿溶效率可以將固體粉碎、攪拌、適當升高溫度等，均能加速固體的溶解，也可適當提高NaOH溶液的濃度提高堿溶效率；答案為粉碎、攪拌、適當升高溫度、適當提高溶液濃度等。

（2）根據鋁土礦的成分為Al2O3、Ga2O3、Fe2O3等，由題中信息，鎵與鋁同主族，其氧化物和氫氧化物均為兩性化合物，可知，加入NaOH溶液“堿溶”，Al2O3、Ga2O3均與NaOH反應進入溶液中，而Fe2O3不與NaOH反應，仍以固體形式存在，過濾時進入濾渣中，濾渣1的成分是Fe2O3；答案為Fe2O3。

（3）因為濾液2中主要是GaO2-離子，通入過量的CO2，CO2與GaO2-發生反應，生成Ga(OH)3沉淀，則離子方程式為GaO2-+CO2+2H2O=Ga(OH)3↓+HCO3-或[Ga(OH)4]-+CO2= Ga(OH)3↓+；答案為GaO2-+CO2+2H2O=Ga(OH)3↓+HCO3-或。[Ga(OH)4]-+CO2= Ga(OH)3↓+

（4）因為鎵的熔點是29.8°C，沸點是2403°C，在1000℃時，鎵為液體，與NH3反應生成固體GaN，則反應的化學方程式為Ga+2NH32GaN+3H2，根據每生成l molGaN時放出15. 45 kJ熱量，生成2molGaN時放出30.9kJ熱量，熱化學方程式為2Ga(l)+2NH3(g)2GaN(s)+3H2(g)△H= -30.9kJ/mol；答案為2Ga(l)+2NH3(g)2GaN(s)+3H2(g)△H= -30.9kJ/mol。

（5）反應為放熱反應，溫度升高有利于逆反應，由C點到B點，氨氣的體積分數增大，說明T1>T2，升溫逆向移動，K減小，則KB＜KC，而A點和B點是同溫，KA=KB，故KA＜KC；答案為＜，△H＜0，溫度升高，平衡逆向移動，此時NH3的體積分數增大而K值減小；

（6）設制得x噸氮化鎵，根據鎵元素守恒，得，則x==(噸)；答案為噸。