Question

氮化镓(GaN)是第三代半导体材料，具有热导率高、化学稳定性好等性质，在光电领域和高频微波器件应用等方面有广阔的前景。

(1)传统的氮化镓制各方法是采用GaC1₃与NH₃在一定条件下反应。NH₃的电子式为___。

(2)Johnson等人首次在1100℃下用液态镓与氨气制得氮化镓固体，该可逆反应每生成1 mol H₂放出10.3 kJ热量。其热化学方程式为_________。

(3)在恒容密闭容器中，加入一定量的液态镓与氨气发生上述反应，测得反应平衡体系中NH₃的体积分数与压强(p)、温度(T)的关系如图所示。

①下列说法正确的是___（填标号）。

a. 温度：T₁>T₂

b. 当百分含量ω(NH₃)=ω(H₂)时，说明该反应处于化学平衡状态

c. A点的反应速率小于C点的反应速率

d. 温度恒定为T₂，达平衡后再充入氦气(氦气不参与反应)，NH₃的转化率不变

②既能提高反应速率又能使平衡正向移动的措施有___(写出一条即可)。

③气体分压(p_分)=气体总压(p_总)×体积分数，用平衡分压代替物质的量浓度也可以表示平衡常数(记作K_p)。在T₂时，用含p₆的计算式表示C点的______。

(4)如图可表示氮化镓与铜组装成的人工光合系统的工作原理。H⁺向______（填“左”或“右”）池移动；铜电极上发生反应的电极反应式为_______。

Answer

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

【解析】

(1)NH3中N原子与3个H原子形成三个共价键；

(2)Ga与NH3发生反应产生GaN和H2，根据物质反应放出的热量与反应的物质呈正比，结合物质的状态书写反应方程式；

(3)①根据温度、压强对化学反应速率和化学平衡影响，结合平衡状态的特征分析判断；

②根据外界条件对对化学反应速率和化学平衡影响分析；

③根据图示可知C点时NH3的体积分数是30%，则H2的体积分数是70%，利用平衡常数的含义列式计算；

(4)根据同种电荷相互排斥异种电荷相互吸引判断H+移动方向，根据C、O元素化合价的变化，结合负极失去电子发生氧化反应，正极上得到电子发生还原反应书写Cu电极反应式。

(1)NH3中N原子最外层有5个电子，其中的3个成单电子与3个H原子的电子形成三个共价键，电子式为：；

(2)Ga与NH3发生反应产生GaN和H2，根据实验：在1100℃下用液态镓与氨气反应制得氮化镓固体，测得每反应产生1 mol H2放出10.3 kJ热量，由于该反应为可逆反应，则该反应的热化学方程式为2Ga(l)+2NH3(g)2GaN(s)+3H2(g) △H=-30.9 kJ/mol；

(3)①a.该反应的正反应是放热反应，根据图示可知，在压强相同时，NH3在温度为T1的含量比温度为T2时的含量高，根据平衡移动原理，升高温度化学平衡向吸热的逆反应方向移动，导致NH3的含量升高，所以温度T1>T2，a正确；

b. NH3、H2的含量高低与开始加入NH3的多少及外界条件有关，不能根据二者含量相同判断反应是否处于平衡状态，b错误；

c. A点的温度比C点高，压强比C点大，由于升高温度化学反应速率加快；增大压强，化学反应速率也加快，所以A点的反应速率大于C点的反应速率，c错误；

d. 温度恒定为T2，达平衡后再充入氦气，由于氦气不参与反应，不能改变反应体系中任何一种气体物质的浓度，因此化学平衡不发生移动，故NH3的转化率不变，d正确；

故合理选项是ad；

②反应2Ga(l)+2NH3(g)2GaN(s)+3H2(g)的正反应是气体体积增大的放热反应，既能提高反应速率又能使平衡正向移动，可以通过增大反应物NH3的浓度的方法；

③根据图示可知C点时NH3的体积分数是30%，则H2的体积分数是70%，用平衡分压表示的该反应的化学平衡常数Kp= Pa；

(4)根据图示可知GaN电极上H2O失去电子产生O2和H+，电子由导线流向Cu电极，Cu电极上负电荷较多，所以H+由左池向右池移动；在Cu电极上CO2得到电子，与溶液中的H+结合形成CH4、H2O，Cu电极反应式为：CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O。