Question

【题目】硝酸镓在激光材料的制备中已成为重要的基础和主要原料。以废催化剂GCS(主要成分为Ga2O3、Cr2O3和SiO2)为原料制备硝酸嫁晶体的工艺流程如下:

(1)滤渣的主要成分是______(写化学式)，用稀氨水调节溶液pH至3.0~3.5之间的目的是________。

(2)用硝酸溶解时,温度应控制在40~80℃，实验室控制该温度区间的方法是______；温度高于80℃，溶解速率减慢，其原因是____________。

(3)采用减压蒸馏的目的是_________________。

(4)催化剂GCS可用于催化热乙烯还原一氧化氮，以消除尾气排放对大气的污染，写出该反应的化学方程式:________________。

(5)用硝酸镓制备含镓、铱和铂的催化剂可以有效地催化正庚烷转化为甲苯，该反应的化学方程式为________________。

(6)硝酸镓晶体加热过程中,固体失重率[失重率=]随温度的变化关系如图所示。A点时，固体物质的化学式为_________，B点至C点变化过程中，生成的气体为N2O5和另一种氮氧化物，则该变化的总反应方程式为___________。

Answer 1

【答案】 SiO2 使Ga3+水解完全生成Ga(OH)3 水浴加热 硝酸受热易挥发且会分解 使过量硝酸和水蒸气快速蒸出 C2H4+6NO 3N2+2CO2+2H2O CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3 +4H2↑ 2Ga(NO3)3·3H2O Ga(NO3)3GaO2+NO2↑+N2O5↑

【解析】流程分析：该工艺流程的目的为以废催化剂GCS(主要成分为Ga2O3、Cr2O2和SiO2)为原料制备硝酸镓晶体，所以流程中要先将Cr、Si等杂质除去。第一步，盐酸酸浸，Ga2O3和Cr2O3溶于盐酸，而SiO2不溶于盐酸，过滤后得到滤渣的主要成分为SiO2，滤液中溶质主要为GaCl3、CrCl3和未反应完的盐酸。第二步，加入稀氨水调pH，根据流程可知，加氨水后得到Ca(OH)3沉淀，而Cr3+进入滤液，从而达到分离Cr与Ga的目的。第三步，向Ca(OH)3沉淀中加入硝酸，使其溶解，所得溶液主要溶质为Ca(NO3)3和未反应完的硝酸，再进行减压蒸馏、冷却干燥后得到目标产物。

（1）根据上述分析，滤渣的主要成分为SiO2。用稀氨水调节溶液pH至3.0~3.5之间的目的是使Ga3+水解完全生成Ga(OH)3。故答案为：SiO2；使Ga3+水解完全生成Ga(OH)3。

（2）若要将温度控制在40～80℃，可采用水浴加热的方式控制温度。温度太低，硝酸反应速度较慢，若温度高于80℃，硝酸受热易挥发且会分解，沉淀溶解的速率也会减慢。故答案为：水浴加热；硝酸受热易挥发且会分解。

（3）溶液中主要溶质为Ca(NO3)3和未反应完的硝酸，减压蒸馏可以降低硝酸和水的沸点，加快硝酸和水蒸气的蒸出，故答案为：使过量硝酸和水蒸气快速蒸出。

（4）根据题意可知，乙烯和NO在GCS作催化剂的条件下，反应生成无污染的N2和CO2，反应方程式为C2H4+6NO3N2+2CO2+2H2O，故答案为：C2H4+6NO3N2+2CO2+2H2O。

（5）在催化剂的作用下，正庚烷可转化为甲苯，根据原子守恒可知，应还有H2生成，故反应方程式为CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3 +4H2↑。

（6）Ga(NO3)3﹒9H2O的相对分子质量为418，假设加热前硝酸镓晶体的质量为418g,物质的量为1mol，则其中结晶水的质量=18g×9=162g。A点时，失重率为32.3％，则固体减少的质量△m=418×32.3％=135g，所以A点固体物质中还含有结晶水。A点固体中结晶水的物质的量= =1.5mol,则固体中n[Ga(NO3)3]﹕n[结晶水]=1﹕1.5=2﹕3，所以A点固体物质的化学式为2Ga(NO3)3·3H2O。

B点时，失重率为38.7％，则固体减少的质量=418×38.7％≈162g，则B点时恰好失去全部结晶水，固体物质的化学式为Ga(NO3)3。C点时，失重率为75.6％，则固体减少的质量=418×75.6％=316g,剩余固体的质量=102g，其中m(Ga)=70g。B点至C点变化过程中，生成的气体为N2O5和另一种氮氧化物，则可推测剩余固体为Ga的氧化物，且m(O)=32g，所以固体物质中n(Ga)﹕n(O)= 1﹕2，则固体物质的化学式为GaO2。GaO2中Ga元素化合价为+4价，则GaO2为氧化产物，另一种氮氧化物应为还原产物。假设该氮氧化物为NO2，则有Ga(NO3)3——GaO2+NO2↑+N2O5↑，根据化合价升价守恒和原子守恒，可得方程式Ga(NO3)3 GaO2+NO2↑+N2O5↑，假设成立。

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