Question

【題目】氮化鎵(GaN)是一種重要的半導(dǎo)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(diǎn)是29.8°C，沸點(diǎn)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(shù)如下：

兩性氫氧化物	Al( OH)3	Ga( OH)3
酸式電離常數(shù)Ka	2×10-11	1×10-7
堿式電離常數(shù)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(yīng)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(yīng)生成固體半導(dǎo)體材料 GaN，每生成l molGaN時放出15. 45 kJ熱量，寫出該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式________。

(5)在密閉容器中，充入一定量的Ga與NH3發(fā)生反應(yīng) ，測得反應(yīng)平衡體系中NH3的體積分?jǐn)?shù)與壓強(qiáng) P和溫度T 的關(guān)系曲線如下圖所示。圖中A 點(diǎn)和C點(diǎn)化學(xué)平衡常數(shù)的大小關(guān)系： KA____KC (填“＜”“＝”或 “ > ”) ， 判斷的依據(jù)是________。

(6)已知鋁土礦中Ga2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 a%，某工廠使用 w 噸鋁土礦經(jīng)過一系列反應(yīng)， 反應(yīng)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(dāng)提高溫度、粉碎、適當(dāng)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(diǎn) 到 B 點(diǎn) ， NH3體積分?jǐn)?shù)增大 ，說明 T1 > T2 ；反應(yīng)放熱 ，升高溫度 ， K 減小 ，所以 KA < KC

【解析】

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

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

（2）根據(jù)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(yīng)進(jìn)入溶液中，而Fe2O3不與NaOH反應(yīng)，仍以固體形式存在，過濾時進(jìn)入濾渣中，濾渣1的成分是Fe2O3；答案為Fe2O3。

（3）因?yàn)闉V液2中主要是GaO2-離子，通入過量的CO2，CO2與GaO2-發(fā)生反應(yīng)，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?yàn)殒壍娜埸c(diǎn)是29.8°C，沸點(diǎn)是2403°C，在1000℃時，鎵為液體，與NH3反應(yīng)生成固體GaN，則反應(yīng)的化學(xué)方程式為Ga+2NH32GaN+3H2，根據(jù)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(xué)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(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度升高有利于逆反應(yīng)，由C點(diǎn)到B點(diǎn)，氨氣的體積分?jǐn)?shù)增大，說明T1>T2，升溫逆向移動，K減小，則KB＜KC，而A點(diǎn)和B點(diǎn)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?jǐn)?shù)增大而K值減小；

（6）設(shè)制得x噸氮化鎵，根據(jù)鎵元素守恒，得，則x==(噸)；答案為噸。