Question

【題目】硝酸鎵在激光材料的制備中已成為重要的基礎(chǔ)和主要原料。以廢催化劑GCS(主要成分為Ga2O3、Cr2O3和SiO2)為原料制備硝酸嫁晶體的工藝流程如下:

(1)濾渣的主要成分是______(寫(xiě)化學(xué)式)，用稀氨水調(diào)節(jié)溶液pH至3.0~3.5之間的目的是________。

(2)用硝酸溶解時(shí),溫度應(yīng)控制在40~80℃，實(shí)驗(yàn)室控制該溫度區(qū)間的方法是______；溫度高于80℃，溶解速率減慢，其原因是____________。

(3)采用減壓蒸餾的目的是_________________。

(4)催化劑GCS可用于催化熱乙烯還原一氧化氮，以消除尾氣排放對(duì)大氣的污染，寫(xiě)出該反應(yīng)的化學(xué)方程式:________________。

(5)用硝酸鎵制備含鎵、銥和鉑的催化劑可以有效地催化正庚烷轉(zhuǎn)化為甲苯，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為________________。

(6)硝酸鎵晶體加熱過(guò)程中,固體失重率[失重率=]隨溫度的變化關(guān)系如圖所示。A點(diǎn)時(shí)，固體物質(zhì)的化學(xué)式為_________，B點(diǎn)至C點(diǎn)變化過(guò)程中，生成的氣體為N2O5和另一種氮氧化物，則該變化的總反應(yīng)方程式為___________。

Answer 1

【答案】 SiO2 使Ga3+水解完全生成Ga(OH)3 水浴加熱 硝酸受熱易揮發(fā)且會(huì)分解 使過(guò)量硝酸和水蒸氣快速蒸出 C2H4+6NO 3N2+2CO2+2H2O CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3 +4H2↑ 2Ga(NO3)3·3H2O Ga(NO3)3GaO2+NO2↑+N2O5↑

【解析】流程分析：該工藝流程的目的為以廢催化劑GCS(主要成分為Ga2O3、Cr2O2和SiO2)為原料制備硝酸鎵晶體，所以流程中要先將Cr、Si等雜質(zhì)除去。第一步，鹽酸酸浸，Ga2O3和Cr2O3溶于鹽酸，而SiO2不溶于鹽酸，過(guò)濾后得到濾渣的主要成分為SiO2，濾液中溶質(zhì)主要為GaCl3、CrCl3和未反應(yīng)完的鹽酸。第二步，加入稀氨水調(diào)pH，根據(jù)流程可知，加氨水后得到Ca(OH)3沉淀，而Cr3+進(jìn)入濾液，從而達(dá)到分離Cr與Ga的目的。第三步，向Ca(OH)3沉淀中加入硝酸，使其溶解，所得溶液主要溶質(zhì)為Ca(NO3)3和未反應(yīng)完的硝酸，再進(jìn)行減壓蒸餾、冷卻干燥后得到目標(biāo)產(chǎn)物。

（1）根據(jù)上述分析，濾渣的主要成分為SiO2。用稀氨水調(diào)節(jié)溶液pH至3.0~3.5之間的目的是使Ga3+水解完全生成Ga(OH)3。故答案為：SiO2；使Ga3+水解完全生成Ga(OH)3。

（2）若要將溫度控制在40～80℃，可采用水浴加熱的方式控制溫度。溫度太低，硝酸反應(yīng)速度較慢，若溫度高于80℃，硝酸受熱易揮發(fā)且會(huì)分解，沉淀溶解的速率也會(huì)減慢。故答案為：水浴加熱；硝酸受熱易揮發(fā)且會(huì)分解。

（3）溶液中主要溶質(zhì)為Ca(NO3)3和未反應(yīng)完的硝酸，減壓蒸餾可以降低硝酸和水的沸點(diǎn)，加快硝酸和水蒸氣的蒸出，故答案為：使過(guò)量硝酸和水蒸氣快速蒸出。

（4）根據(jù)題意可知，乙烯和NO在GCS作催化劑的條件下，反應(yīng)生成無(wú)污染的N2和CO2，反應(yīng)方程式為C2H4+6NO3N2+2CO2+2H2O，故答案為：C2H4+6NO3N2+2CO2+2H2O。

（5）在催化劑的作用下，正庚烷可轉(zhuǎn)化為甲苯，根據(jù)原子守恒可知，應(yīng)還有H2生成，故反應(yīng)方程式為CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3 +4H2↑。

（6）Ga(NO3)3﹒9H2O的相對(duì)分子質(zhì)量為418，假設(shè)加熱前硝酸鎵晶體的質(zhì)量為418g,物質(zhì)的量為1mol，則其中結(jié)晶水的質(zhì)量=18g×9=162g。A點(diǎn)時(shí)，失重率為32.3％，則固體減少的質(zhì)量△m=418×32.3％=135g，所以A點(diǎn)固體物質(zhì)中還含有結(jié)晶水。A點(diǎn)固體中結(jié)晶水的物質(zhì)的量= =1.5mol,則固體中n[Ga(NO3)3]﹕n[結(jié)晶水]=1﹕1.5=2﹕3，所以A點(diǎn)固體物質(zhì)的化學(xué)式為2Ga(NO3)3·3H2O。

B點(diǎn)時(shí)，失重率為38.7％，則固體減少的質(zhì)量=418×38.7％≈162g，則B點(diǎn)時(shí)恰好失去全部結(jié)晶水，固體物質(zhì)的化學(xué)式為Ga(NO3)3。C點(diǎn)時(shí)，失重率為75.6％，則固體減少的質(zhì)量=418×75.6％=316g,剩余固體的質(zhì)量=102g，其中m(Ga)=70g。B點(diǎn)至C點(diǎn)變化過(guò)程中，生成的氣體為N2O5和另一種氮氧化物，則可推測(cè)剩余固體為Ga的氧化物，且m(O)=32g，所以固體物質(zhì)中n(Ga)﹕n(O)= 1﹕2，則固體物質(zhì)的化學(xué)式為GaO2。GaO2中Ga元素化合價(jià)為+4價(jià)，則GaO2為氧化產(chǎn)物，另一種氮氧化物應(yīng)為還原產(chǎn)物。假設(shè)該氮氧化物為NO2，則有Ga(NO3)3——GaO2+NO2↑+N2O5↑，根據(jù)化合價(jià)升價(jià)守恒和原子守恒，可得方程式Ga(NO3)3 GaO2+NO2↑+N2O5↑，假設(shè)成立。

故答案為：2Ga(NO3)3·3H2O；Ga(NO3)3GaO2+NO2↑+N2O5↑。