Question

【題目】氮化鎵(GaN)是第三代半導(dǎo)體材料，具有熱導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好等性質(zhì)，在光電領(lǐng)域和高頻微波器件應(yīng)用等方面有廣闊的前景。

(1)傳統(tǒng)的氮化鎵制各方法是采用GaC13與NH3在一定條件下反應(yīng)。NH3的電子式為___。

(2)Johnson等人首次在1100℃下用液態(tài)鎵與氨氣制得氮化鎵固體，該可逆反應(yīng)每生成1 mol H2放出10.3 kJ熱量。其熱化學(xué)方程式為_________。

(3)在恒容密閉容器中，加入一定量的液態(tài)鎵與氨氣發(fā)生上述反應(yīng)，測(cè)得反應(yīng)平衡體系中NH3的體積分?jǐn)?shù)與壓強(qiáng)(p)、溫度(T)的關(guān)系如圖所示。

①下列說法正確的是___（填標(biāo)號(hào)）。

a. 溫度：T1>T2

b. 當(dāng)百分含量ω(NH3)=ω(H2)時(shí)，說明該反應(yīng)處于化學(xué)平衡狀態(tài)

c. A點(diǎn)的反應(yīng)速率小于C點(diǎn)的反應(yīng)速率

d. 溫度恒定為T2，達(dá)平衡后再充入氦氣(氦氣不參與反應(yīng))，NH3的轉(zhuǎn)化率不變

②既能提高反應(yīng)速率又能使平衡正向移動(dòng)的措施有___(寫出一條即可)。

③氣體分壓(p分)=氣體總壓(p總)×體積分?jǐn)?shù)，用平衡分壓代替物質(zhì)的量濃度也可以表示平衡常數(shù)(記作Kp)。在T2時(shí)，用含p6的計(jì)算式表示C點(diǎn)的______。

(4)如圖可表示氮化鎵與銅組裝成的人工光合系統(tǒng)的工作原理。H+向______（填“左”或“右”）池移動(dòng)；銅電極上發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式為_______。

Answer 1

【答案】 2Ga(l)+2NH3(g)2GaN(s)+3H2(g) △H=-30.9 kJ/mol ad 增大NH3濃度 Pa 右 CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O

【解析】

(1)NH3中N原子與3個(gè)H原子形成三個(gè)共價(jià)鍵；

(2)Ga與NH3發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生GaN和H2，根據(jù)物質(zhì)反應(yīng)放出的熱量與反應(yīng)的物質(zhì)呈正比，結(jié)合物質(zhì)的狀態(tài)書寫反應(yīng)方程式；

(3)①根據(jù)溫度、壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡影響，結(jié)合平衡狀態(tài)的特征分析判斷；

②根據(jù)外界條件對(duì)對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡影響分析；

③根據(jù)圖示可知C點(diǎn)時(shí)NH3的體積分?jǐn)?shù)是30%，則H2的體積分?jǐn)?shù)是70%，利用平衡常數(shù)的含義列式計(jì)算；

(4)根據(jù)同種電荷相互排斥異種電荷相互吸引判斷H+移動(dòng)方向，根據(jù)C、O元素化合價(jià)的變化，結(jié)合負(fù)極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上得到電子發(fā)生還原反應(yīng)書寫Cu電極反應(yīng)式。

(1)NH3中N原子最外層有5個(gè)電子，其中的3個(gè)成單電子與3個(gè)H原子的電子形成三個(gè)共價(jià)鍵，電子式為：；

(2)Ga與NH3發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生GaN和H2，根據(jù)實(shí)驗(yàn)：在1100℃下用液態(tài)鎵與氨氣反應(yīng)制得氮化鎵固體，測(cè)得每反應(yīng)產(chǎn)生1 mol H2放出10.3 kJ熱量，由于該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，則該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為2Ga(l)+2NH3(g)2GaN(s)+3H2(g) △H=-30.9 kJ/mol；

(3)①a.該反應(yīng)的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，根據(jù)圖示可知，在壓強(qiáng)相同時(shí)，NH3在溫度為T1的含量比溫度為T2時(shí)的含量高，根據(jù)平衡移動(dòng)原理，升高溫度化學(xué)平衡向吸熱的逆反應(yīng)方向移動(dòng)，導(dǎo)致NH3的含量升高，所以溫度T1>T2，a正確；

b. NH3、H2的含量高低與開始加入NH3的多少及外界條件有關(guān)，不能根據(jù)二者含量相同判斷反應(yīng)是否處于平衡狀態(tài)，b錯(cuò)誤；

c. A點(diǎn)的溫度比C點(diǎn)高，壓強(qiáng)比C點(diǎn)大，由于升高溫度化學(xué)反應(yīng)速率加快；增大壓強(qiáng)，化學(xué)反應(yīng)速率也加快，所以A點(diǎn)的反應(yīng)速率大于C點(diǎn)的反應(yīng)速率，c錯(cuò)誤；

d. 溫度恒定為T2，達(dá)平衡后再充入氦氣，由于氦氣不參與反應(yīng)，不能改變反應(yīng)體系中任何一種氣體物質(zhì)的濃度，因此化學(xué)平衡不發(fā)生移動(dòng)，故NH3的轉(zhuǎn)化率不變，d正確；

故合理選項(xiàng)是ad；

②反應(yīng)2Ga(l)+2NH3(g)2GaN(s)+3H2(g)的正反應(yīng)是氣體體積增大的放熱反應(yīng)，既能提高反應(yīng)速率又能使平衡正向移動(dòng)，可以通過增大反應(yīng)物NH3的濃度的方法；

③根據(jù)圖示可知C點(diǎn)時(shí)NH3的體積分?jǐn)?shù)是30%，則H2的體積分?jǐn)?shù)是70%，用平衡分壓表示的該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)Kp= Pa；

(4)根據(jù)圖示可知GaN電極上H2O失去電子產(chǎn)生O2和H+，電子由導(dǎo)線流向Cu電極，Cu電極上負(fù)電荷較多，所以H+由左池向右池移動(dòng)；在Cu電極上CO2得到電子，與溶液中的H+結(jié)合形成CH4、H2O，Cu電極反應(yīng)式為：CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O。