Question

金属镓(Ga)应用广泛，在半导体和光电材料、合金、磁性材料等领域都有重要应用。镓与铝是同主族元素，性质相似。

(1)铝在元素周期表中的位置是_________。

(2)GaAs 是一种重要的半导体材料。As 与 Ga 同周期，As 与 N 同主族。

①下列事实不能用元素周期律解释的是___________(填字母)。

a.  碱性：Ga (OH)₃> Al (OH)₃         b. 非金属性：As>Ga              c. 酸性：H₃AsO₄>H₃AsO₃

②GaAs 中，As 元素化合价为-3 价，用原子结构理论解释原因_________________。

③废弃含 GaAs 半导体材料可以用浓硝酸溶解 GaAs，生成 H₃AsO₄ 和 Ga³⁺，写出该反应的化学方程式_________。

(3)工业上获取镓的方法之一是从闪锌矿冶锌后的残渣(主要含有 Zn、Pb、Fe、Ga 等元素)中提取，某科研单位设计下述流程提取镓，已知：Ga 在碱性溶液中以[Ga(OH)₄]^- 形式存在。

①试剂 a 是_____。

②写出得到滤液 3 的离子方程式_______________。

③写出电解制镓时的阴极电极反应式__________________。

Answer

第三周期第 IIIA 族 c Ga 与As 电子层数相同，核电荷数：As > Ga，原子半径：As < Ga，得电子能力：As > Ga，元素的非金属性：As > Ga，因此，GaAs 中 As 为负价；As 与N 同主族，最外层 5 个电子，最低负化合价为-3 GaAs+HNO3(浓) =Ga(NO3)3+8NO2↑+H3AsO4+4H2O ZnO Ga(OH)3+OH- = [Ga(OH)4]- [Ga(OH)4]- +3e- = Ga+ 4OH-

【解析】

(1)铝是13号元素，铝在元素周期表中的位置是第三周期第 IIIA 族。故答案为：第三周期第 IIIA 族；

(2)①a. 同周期，从左到右元素的金属逐渐减弱，碱性：Ga (OH)3> Al (OH)3，故不选；

b. 同周期，从左到右元素非金属逐渐增强，非金属性：As>Ga，故不选；

c. 非羟基氧越多，含氧酸的酸性越强，酸性：H3AsO4>H3AsO3，故选；

故答案为：c；

②GaAs 中，As 元素化合价为-3 价，用原子结构理论解释原因：Ga 与As 电子层数相同，核电荷数：As > Ga，原子半径：As < Ga，得电子能力：As > Ga，元素的非金属性：As > Ga，因此，GaAs 中 As 为负价；As 与N 同主族，最外层 5 个电子，最低负化合价为-3。故答案为：Ga 与As 电子层数相同，核电荷数：As > Ga，原子半径：As < Ga，得电子能力：As > Ga，元素的非金属性：As > Ga，因此，GaAs 中 As 为负价；As 与N 同主族，最外层 5 个电子，最低负化合价为-3；

③废弃含 GaAs 半导体材料可以用浓硝酸溶解 GaAs，生成 H3AsO4 和 Ga3+，硝酸被还原成NO2，反应的化学方程式GaAs+HNO3(浓) = Ga(NO3)3+8NO2↑+H3AsO4+4H2O。故答案为：GaAs+HNO3(浓) = Ga(NO3)3+8NO2↑+H3AsO4+4H2O；

(3)闪锌矿冶锌后的残渣(主要含有 Zn、Pb、Fe、Ga 等元素)酸浸后得到：滤渣1中含PbSO4，滤液1中含有 Zn2＋、Fe2＋、Ga3＋，加ZnO调节pH =9，得滤渣2，主要成分为Fe(OH)3、Ga(OH)3，加入浓NaOH溶液，发生Ga(OH)3+OH- = [Ga(OH)4]-，过滤得滤渣3为Fe(OH)3、滤液3，电解制镓。

①试剂 a 是ZnO。故答案为：ZnO；

②由题中信息：Ga 在碱性溶液中以[Ga(OH)4]- 形式存在，得到滤液 3 的离子方程式Ga(OH)3+OH- = [Ga(OH)4]-。故答案为：Ga(OH)3+OH- = [Ga(OH)4]-；

③电解制镓时的阴极得电子，发生还原反应，电极反应式[Ga(OH)4]- +3e- = Ga+ 4OH-。故答案为：[Ga(OH)4]- +3e- = Ga+ 4OH-。