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【题目】镓(31Ga)、锗(32Ge)都是重要的稀有金属,在化学催化剂、半导体材料、新能源等领域应用广泛,可从锗煤燃烧后的粉煤灰(含 Ga2O3GeO2SiO2Al2O3)中提取, 部分流程如下:

已知:

物质

GaCl3

GeCl4

AlCl3

沸点/

201

84

183(升华)

1)滤渣的主要成分为_____

2)①中发生的反应有 Al2O3+6H+=2Al3++3H2OGa2O3+6H+=2Ga3++3H2O _____

3)操作 a 的名称是_____,②中控制温度的范围是_____(填字母序号)。

a20~84 b84~183 c84~201

4)④中发生反应的化学方程式是__________________________________________

5)镓能与沸水剧烈反应生成氢气,锗在加热条件下与盐酸或稀硫酸不反应。从原子结构角度解释其原因:______________________

6)用浓盐酸酸化的磷酸三丁酯(TBP)可以从残液中萃取 Ga3+,相关反应为:TBP+GaCl3+HCl TBPH+·GaCl。用稀 NaOH 溶液对有机相进行反萃取,用盐酸调节反萃取液 pH 5~6,然后升温至 85~95℃水解得到 Ga(OH)3,经后续处理得到粗镓。结合化学用语解释用稀 NaOH 溶液对有机相进行反萃取的原因:_________________

7)电解法可以提纯粗镓,具体原理如图所示。镓在阳极溶解生成的 Ga3+ NaOH 溶液反应生成 GaO GaO 在阴极放电的电极反应式是_____________________

【答案】SiO2 GeO2+4H++4Cl-=GaCl4+2H2O 蒸馏 b GeO2+2H2Ge+2H2O 镓和锗均为第4周期的主族元素,镓的最外层电子数为3,锗的最外层电子数为4,故镓的金属性较强,锗的金属性较弱 当向有机层加入用稀 NaOH 溶液,NaOH可以与HCl发生中和反应,从而使化学平衡TBP+GaCl3+HCl TBPH+·GaCl向逆反应方向移动,故可对有机相进行反萃取 GaO+3e- +2H2O=Ga+4OH-

【解析】

由流程可知,粉煤灰经浓盐酸浸取,过滤后的滤液中经蒸馏,分离出四氯化锗,将四氯化锗与水混合搅拌24h,可以发生水解得到GeO2,最后GeO2被氢气还原为Ge

(1)粉煤灰中的SiO2不与盐酸反应,所以,滤渣的主要成分为SiO2

(2)由题中信息可知,Ga2O3GeO2Al2O3皆可溶于盐酸,所以,①中发生的反应有Al2O3+6H+=2Al3++3H2OGa2O3+6H+=2Ga3++3H2OGeO2+4H++4Cl-=GaCl4+2H2O

(3)由题中信息可知,四氯化锗的沸点较低,操作 a 需要控制温度,故其为蒸馏,蒸馏时要防止氯化镓和氯化铝气化,故②中控制温度的范围是84~183 ,答案选b

(4)④中GeO2被氢气还原为Ge,发生反应的化学方程式是GeO2+2H2Ge+2H2O

(5)镓能与沸水剧烈反应生成氢气,锗在加热条件下与盐酸或稀硫酸不反应。从原子结构角度解释其原因:镓和锗均为第4周期的主族元素,镓的最外层电子数为3,锗的最外层电子数为4,故镓的金属性较强,锗的金属性较弱。

(6)用浓盐酸酸化的磷酸三丁酯(TBP)可以从残液中萃取Ga3+,相关反应为:TBP+GaCl3+HClTBPH+·GaCl。根据平衡移动原理可知,当向有机层加入用稀 NaOH 溶液,NaOH可以与HCl发生中和反应,从而使化学平衡TBP+GaCl3+HClTBPH+·GaCl向逆反应方向移动,故可对有机相进行反萃取。

(7)电解法可以提纯粗镓,镓在阳极溶解生成的Ga3+ NaOH 溶液反应生成 GaOGaO在阴极放电生成Ga,其电极反应式是GaO+3e-+2H2O=Ga+4OH-

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Na

Cu

Al

Fe

熔点/

97.5

1083

660

1535

沸点/

883

2595

2200

3000

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