Question

GaN凭借其出色的功率性能、频率性能以及散热性能，在光电领域和高频微波器件应用等方面有广阔的前景。

(1) Johnson等人首次在1100℃下用镓与氨气制得氮化镓，该可逆反应每生成1 mol H₂放出10.3 kJ热量。该反应的热化学方程式是_____。(己知金属镓的熔点是29.8℃，沸点是2403℃；氮化镓的熔点为1700℃)

(2)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(已知图中T₁和T₂的温度均小于1700℃)。

①下列说法正确的是________(填标号)。

a.相同条件下，Ga(OH)₃ 的碱性比Al(OH)₃强

b.当c(NH₃)=c(H₂)时，一定达到了化学平衡状态

c. A点和C点化学平衡常数的关系是：K_A< K_C

d.温度一定时，达平衡后再充入氦气(氦气不参与反应)，NH₃的转化率增大.

②气相平衡中用组分的平衡分压代替物质的量浓度也可以表示平衡常数(记作Kp)，已知在T₁℃时体系的压强初始压强为a Pa，则B点的Kp=____(用含a表示且保留2位有效数字)。

(3)电解精炼法提纯镓是工业上常用的方法。具体原理如图所示：

已知：金属的活动性Zn>Ga>Fe>Cu；镓化学性质与铝相似。

①M为电源的_______极，电解精炼镓时产生阳极泥的主要成分是________。

②电解过程中阳极产生的离子迁移到达阴极并在阴极析出高纯镓。请写出电解过程的阴极的电极反应__________。

③电解过程中需控制合适的电压，若电压太高时阴极会产生H₂导致电解效率下降。若外电路通过0.2mole时，阴极得到3.5g的镓。则该电解装置的电解效率η=_________(η=生成目标产物消耗的电子数+转移的电子总数)。

Answer

2Ga(l)+2NH3(g)=2GaN(s)+3H2(g) ∆H= -30.9kJ/mol ac 1.7aPa 负极 Fe、Cu GaO2-+3e-+2H2O=Ga+4OH- 75%

【解析】

（1）镓与氨气在1100℃下反应生成氮化镓和氢气，写出方程式，根据生成1 mol H2放出10.3 kJ热量，计算满足方程式中氢气的物质的量的热量，即可正确书写该热化学方程式；

（2）①根据同主族元素性质的递变规律、达到平衡状态的标志、平衡常数与温度的关系、平衡移动的条件作出判断；

②结合图像信息，2Ga(l)+2NH3(g)=2GaN(s)+3H2(g)，结合平衡时氨气的体积分数，计算出平衡时的总压强，然后计算出氨气、氢气的分压，最后计算反应平衡常数；

（3）电解精炼法提纯镓，结合粗铜的精炼，可以判断出粗镓作阳极，高纯镓作阴极，写阳极产物的时候要注意镓失去电子变为镓离子，镓离子与溶液中的氢氧根离子结合生成GaO2-，然后GaO2-在阴极得电子生成镓。

（1）镓与氨气在1100℃下反应生成氮化镓和氢气，反应的方程式为2Ga(l)+2NH3(g)=2GaN(s)+3H2(g)，生成1 mol H2放出10.3 kJ热量，故生成3 mol H2放出30.9 kJ热量，该热化学方程式为2Ga(l)+2NH3(g)=2GaN(s)+3H2(g) ∆H= -30.9kJ/mol ；

（2）①a．镓与铝位于同一主族，同一主族从上到下，随着核电荷数的增加，金属性逐渐增强，金属性越强，最高价氧化物对应的水化物的碱性越强，故相同条件下，Ga(OH)3 的碱性比Al(OH)3强，a正确；

b．当反应物浓度或生成物浓度随着时间的改变而不变，反应达到平衡，当c(NH3)=c(H2)时，反应不一定达到了化学平衡状态，b错误；

c．2Ga(l)+2NH3(g)=2GaN(s)+3H2(g) ∆H= -30.9kJ/mol，该反应为放热反应，温度越高，平衡时氨气的体积分数越大，并且温度越高，化学平衡常数越小，结合图像可知，T1˃T2，KA< KC，c正确；

d．体积不变，温度一定时，达平衡后再充入氦气(氦气不参与反应)，反应物、生成物的浓度不变，平衡不移动，故NH3的转化率不变，d错误；

②2Ga(l)+2NH3(g)=2GaN(s)+3H2(g) ，令反应开始前向容器中充入xmol氨气，达到平衡时氨气的转化率为b，故平衡时氨气的物质的量为x(1-b)mol，氢气的物质的量为1.5bxmol，B点时，氨气的体积分数为0.4，即

=0.4，b=0.5，平衡时氨气的物质的量为0.5xmol，氢气的物质的量为0.75xmol，恒温恒容的容器中，容器中总压强之比等于物质的量之比，平衡后的压强为p6，x：(0.5x+0.75x)=a：p6，p6=1.25aPa，平衡时氨气的分压为0.4×1.25aPa=0.5aPa，氢气的分压为0.6×1.25aPa=0.75aPa，Kp==1.7aPa ；

（3）①电解精炼法提纯镓，粗镓作阳极，高纯镓作阴极，则M为负极，N为正极；由金属的活动性Zn>Ga>Fe>Cu可知，Fe、Cu没有Ga活泼，在阳极不发生反应，Zn、Ga在阳极发生反应，故电解精炼镓时产生阳极泥的主要成分是Fe、Cu；

②Ga与Al在周期表中位于同一主族，故Ga在阳极的电极反应式为Ga-3e-+4OH-=GaO2-+2H2O，阴极的电极反应式为GaO2-+3e-+2H2O=Ga+4OH-；

③阴极得到3.5g的镓，n(Ga)==0.05mol，阴极的电极反应式为GaO2-+3e-+2H2O=Ga+4OH-，由阴极电极反应式可知，阴极得到3.5g的镓，得到的电子的物质的量为3×0.05mol=0.15mol，所以该电解装置的电解效率η==75% 。