Question

【題目】鎵（31Ga）、鍺（32Ge）都是重要的稀有金屬，在化學(xué)催化劑、半導(dǎo)體材料、新能源等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，可從鍺煤燃燒后的粉煤灰（含 Ga2O3、GeO2、SiO2、Al2O3）中提取， 部分流程如下：

已知：

物質(zhì)	GaCl3	GeCl4	AlCl3
沸點(diǎn)/℃	201	84	183（升華）

（1）濾渣的主要成分為_____。

（2）①中發(fā)生的反應(yīng)有 Al2O3+6H+=2Al3++3H2O、Ga2O3+6H+=2Ga3++3H2O 和_____。

（3）操作 a 的名稱是_____，②中控制溫度的范圍是_____（填字母序號(hào)）。

a．20~84℃ b．84~183℃ c．84~201℃

（4）④中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式是__________________________________________。

（5）鎵能與沸水劇烈反應(yīng)生成氫氣，鍺在加熱條件下與鹽酸或稀硫酸不反應(yīng)。從原子結(jié)構(gòu)角度解釋其原因：______________________

（6）用濃鹽酸酸化的磷酸三丁酯（TBP）可以從殘液中萃取 Ga3+，相關(guān)反應(yīng)為：TBP+GaCl3+HCl TBPH+·GaCl。用稀 NaOH 溶液對(duì)有機(jī)相進(jìn)行反萃取，用鹽酸調(diào)節(jié)反萃取液 pH 至 5~6，然后升溫至 85~95℃水解得到 Ga(OH)3，經(jīng)后續(xù)處理得到粗鎵。結(jié)合化學(xué)用語(yǔ)解釋用稀 NaOH 溶液對(duì)有機(jī)相進(jìn)行反萃取的原因：_________________。

（7）電解法可以提純粗鎵，具體原理如圖所示。鎵在陽(yáng)極溶解生成的 Ga3+與 NaOH 溶液反應(yīng)生成 GaO ，GaO 在陰極放電的電極反應(yīng)式是_____________________。

Answer 1

【答案】SiO2 GeO2+4H++4Cl-=GaCl4+2H2O 蒸餾 b GeO2+2H2Ge+2H2O 鎵和鍺均為第4周期的主族元素，鎵的最外層電子數(shù)為3，鍺的最外層電子數(shù)為4，故鎵的金屬性較強(qiáng)，鍺的金屬性較弱 當(dāng)向有機(jī)層加入用稀 NaOH 溶液，NaOH可以與HCl發(fā)生中和反應(yīng)，從而使化學(xué)平衡TBP+GaCl3+HCl TBPH+·GaCl向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，故可對(duì)有機(jī)相進(jìn)行反萃取 GaO+3e- +2H2O=Ga+4OH-

【解析】

由流程可知，粉煤灰經(jīng)濃鹽酸浸取，過(guò)濾后的濾液中經(jīng)蒸餾，分離出四氯化鍺，將四氯化鍺與水混合攪拌24h，可以發(fā)生水解得到GeO2，最后GeO2被氫氣還原為Ge。

(1)粉煤灰中的SiO2不與鹽酸反應(yīng)，所以，濾渣的主要成分為SiO2。

(2)由題中信息可知，Ga2O3、GeO2、Al2O3皆可溶于鹽酸，所以，①中發(fā)生的反應(yīng)有Al2O3+6H+=2Al3++3H2O、Ga2O3+6H+=2Ga3++3H2O和GeO2+4H++4Cl-=GaCl4+2H2O。

(3)由題中信息可知，四氯化鍺的沸點(diǎn)較低，操作 a 需要控制溫度，故其為蒸餾，蒸餾時(shí)要防止氯化鎵和氯化鋁氣化，故②中控制溫度的范圍是84~183℃ ，答案選b。

(4)④中GeO2被氫氣還原為Ge，發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式是GeO2+2H2Ge+2H2O。

(5)鎵能與沸水劇烈反應(yīng)生成氫氣，鍺在加熱條件下與鹽酸或稀硫酸不反應(yīng)。從原子結(jié)構(gòu)角度解釋其原因：鎵和鍺均為第4周期的主族元素，鎵的最外層電子數(shù)為3，鍺的最外層電子數(shù)為4，故鎵的金屬性較強(qiáng)，鍺的金屬性較弱。

(6)用濃鹽酸酸化的磷酸三丁酯（TBP）可以從殘液中萃取Ga3+，相關(guān)反應(yīng)為：TBP+GaCl3+HClTBPH+·GaCl。根據(jù)平衡移動(dòng)原理可知，當(dāng)向有機(jī)層加入用稀 NaOH 溶液，NaOH可以與HCl發(fā)生中和反應(yīng)，從而使化學(xué)平衡TBP+GaCl3+HClTBPH+·GaCl向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，故可對(duì)有機(jī)相進(jìn)行反萃取。

(7)電解法可以提純粗鎵，鎵在陽(yáng)極溶解生成的Ga3+與 NaOH 溶液反應(yīng)生成 GaO，GaO在陰極放電生成Ga，其電極反應(yīng)式是GaO+3e-+2H2O=Ga+4OH-。