主族金属-镓与铟的化合物

系列二主族金属专题5 镓与铟及其化合物一、镓单质Ga29.78℃，在手中溶化，但Ga2403℃，是液相存在的温度范围最大的金属单质，常用于制造高温下使用的温度计，镓之所以有此特性在于镓的晶体中似存在Ga2，因此其熔点低，当沸腾时，Ga2分裂为原子，所以沸点高。2 Ga与铝类似，具有两性，金属性假设于铝，既2Ga+3O2(S43H↑；2Ga+2NaOH+22H2 2常温下，镓与铟可以和氯气和溴反响；高温下，都可以与O、S、P、As等非金属直接化合。二、氧化物和氢氧化物23aO3和3－3可溶于HHO，而333 NH·H3 In2O3In(OH)3几乎无两性表现，In2O3溶于酸，但不溶于碱。Ga(OH)、In(OH)微热时脱水，生成氧化物：

GaIn)。3 3 2M(OH32O2三、镓与铟的制备由于镓常与铝、锌、锗等金属混在一起，所以可在提取出这些金属之后的废料中提取。例如由铝矾土矿Al2O3的工艺流程中，铝酸盐溶液经CO2Al(OH)3沉淀的母液富集了镓。将母液再次经CO2酸化Ga(OH)3Ga(OH)3+OH－=====Ga(OH)－,Ga(OH)－+3e4 4－a+4O。铟的制备方法是将提取过的闪锌矿残渣用硫酸浸取，酸浸取液经中和后投入锌片，铟就沉积在锌片上，用极稀的硫酸溶去锌，将不溶杂质溶于硝酸，再参加BaCO3，便沉淀出氧化铟，在高温下用氢气复原制得金属铟。11871年俄国化学家门捷列夫在编制元素周期表时曾预言的“类铝”元素。镓的原子序数为31，属△A29.78△2403△。镓有过冷现象(即冷至熔点下不凝固)，它可过冷到－120△此推断以下有关镓的性质及其用途的表达不正确的选项是( )。A．镓是制造高温温度计的上佳材料B．镓能溶于强酸和强碱中C．镓与锌、锡、铟等金属制成的合金，可用在自动救火的水龙头中D“半导体家族的成员”，这是利用了镓的导电性介于导体和绝缘体之间的性质【答案】D29.78△2403△；镓有过冷现象(即冷至熔点下不凝固)，它可过冷到－120因此A、C两项正确。铝能溶于强酸和强碱中，铝是电的良导体而不是半导体，镓是“类铝”元素，所以镓能溶于强酸和强碱中，镓是电的良导体而不是半导体，即B项正确，D项不正确。【习题2】砷化镓为第三代半导体材料，晶胞构造如下图砷化镓可由(CH3)3Ga和AsH3在700△下反响制得，反响的化学方程为 。AsH3空间构型为 。(CH3)3Ga为非极性分子，则其中镓原子的杂化方式是 。砷化镓晶体中最近的砷和镓原子核间距为acmbg·mol－1，阿伏伽德罗常数值为AN，则砷化镓晶体密度表达式是 g·cm－3。A【答案】〔1〕(CH3)〔1〕(CH3)3Ga+AsH33CH4+GaAs3〔3〕33

·b/16a3NA【解析】

〕GaAsHGaAs，依据质量守恒可知还有CH

生成，所以反响的化学方程式为：(CH3式为：(CH3)3Ga+AsH33CH4+GaAs；边长为x，CE0.5x，BE=；BOOE2:1BO的长为ABO中，AO的长为BFO中，OF的长为，解得，正四周体的边长为x，对角线33中含有3个δ键和1个孤电子对，空间构型为三角锥形3〕a中a形成3个δ键，没有孤sp2杂化。3BCD中，BEBCDCEBC的一半，如图，设正四周体的AB、AC、AD、BC、BD、CDBCD中，BEBCDCEBC的一半，如图，设正四周体的2x，晶胞的棱长为4个砷化镓，所以密度表达式为。【习题3Zn、Si、Pb2x，晶胞的棱长为4个砷化镓，所以密度表达式为。：△镓在元素周期表中位于第四周期第△A族，化学性质与铝相像。△lg2=0.3 lg3=0.48。△Ksp如下表所示。物质物质Zn(OH)2Ga(OH)3Fe(OH)2Fe(OH)3Ksp1.6×10－172.7×10－318×10－162.8×10－39为了提高酸浸速率，除适当增加硫酸浓度外，应实行的措施有 〔写出两条。滤渣1的主要成分是硫酸铅及 (写化学式)。参加H2O2的目的是(用离子方程式表示) 。室温条件下假设浸出液中各阳离子的浓度均为0.01mo/L，当溶液中某种离子浓度小于1×10-5mol/L时即认为该离子已完全除去，则pH应调整的范围为 。操作D包括： 过滤、洗涤、枯燥。电解法制备金属镓。用惰性电极电解NaGaO2溶液即可制得金属镓，写出阴极电极反响式 。【答案】〔1〕上升温度、粉碎、搅拌等 SiO2〔2〕2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O〔3〕5.48<pH<6.6蒸发浓缩、冷却结晶2 GaO-+2HO+3e-=Ga+4OH2 【解析】为了提高酸浸速率，除适当增加硫酸浓度外，应实行的措施有将矿物质粉碎、上升温度、搅拌等；由以1SiO2、PbSO4；在滤液中参加H2O2Fe2+pHFe3+，反响的离子方程式为：2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O；2.7103131.0105调pHFe3+、Ga2.7103131.01051.610170.01mol/L=3×10-9mol/L，则此时溶液的pH=5.48；如生成Zn(OH)2，则c(OH-1.610170.01溶液的pH=6.6，故应调整pH5.48<pH<6.6；操作D得到晶体，涉及操作为：蒸发浓缩，冷却结晶过滤、洗涤、枯燥；2 2 △GaO-GaGaO-+2HO+3e-=Ga+4OH-2 2 【习题4】我国某地粉煤灰中镓含量丰富，其主要成分以Ga2O3的形式存在，除此之外还含有A12O3、Fe3O4、SiO2等杂质。从粉煤灰中回收镓的艺流程如图甲所示。2信息：(i)GaO－的形式存在；2(ii)Ksp[Ga(OH3)]=1.4×10－34，Ksp[Fe(OH)3]=2.7×10－39，Ksp[Fe(OH)2]=4.87×10－17。答复以下问题：滤渣A中肯定含有的成分是 。“氧化”过程中参加H2O2的目的是 ，该过程中发生反响的离子方程式为 。[c(Fe3+)≤1.0×10－5mol/L]，Ga3+是否开头沉淀 。〔4〕流程图中两次调整pH的目的分别是 。[c(Fe3+)≤1.0×10－5mol/L]，Ga3+是否开头沉淀 。〔4〕流程图中两次调整pH的目的分别是 。〔5电解法可以提纯粗镓具体原理如图乙所粗镓与电 极相“”或“负”)△Ga3+NaOHGaO2，GaO2－－极反响式为 。【答案】SiO2将Fe2+氧化为Fe3+，便于后续操作分别 2Fe2++H2O2+2H+==2Fe3++2H2OFe3+c3(OH－)=Ksp[Fe(OH)3]/c(Fe3+)=2.7×10-39/1.0×10-5mol3/L3=2.7×10-34mol3/L3,Qc[Ga(OH)3]=c(Ga3+)•c3(OH－)=1.4×10-4mol/L×2.7×10-34mol3/L3=3.78×10-38＜Ksp[Ga(OH)3]Ga3+未开头沉淀2第一次调整pHFe3+pHGa3+GaO—得到转型液22 正 GaO—+3e—+2HO==Ga+4OH2 【解析】Ga2O3A12O3、Fe3O4、SiO2等杂质，参加盐酸后，SiO2不反响，过滤留在滤渣A2+被HO23+加氢氧化钠调整pHp[Ga(O)]=1.4×1－34p[Fe(OH3]=2.7×102－39Fe3+变成沉淀进展分别，其次次调整pHGa3+GaO2—得到转型液，GaO—在阴极得电子，被2Ga。结合上述分析滤渣ASiO2。“氧化”过程中参加H2O2的目的是将Fe2+氧化为Fe3+，便于后续操作分别，该过程中发生反响的离子方程2Fe2++H2O2+2H+==2Fe3++2H2O。〔3〕当Fe3+恰好沉淀时，溶液中c3(OH－)=Ksp[Fe(OH)3]/c(Fe3+)=2.7×10-39/1.0×10-5mol3/L3=2.7×10-34mol3/L3，Qc[Ga(OH)3]=c(Ga3+)•c3(OH－)=1.4×10-4mol/L×2.7×10-34mol3/L3=3.78×10-38＜Ksp[Ga(OH)3]Ga3+未开头沉淀。2第一次调整pHFe3+pHGa3+GaO—得到转型液；2NaOHNaOHGaO2，GaO2GaO2－－— —+3e +2H2O==Ga+4OH—。【习题5】三氧化二铟(In2O3)是一种透亮的导电材料，可运用于接触屏、液晶显示器等高科技领域；铟产业被称为“信息时代的朝阳产业”。利用水铟矿[In(OH)3，常温下Ksp[In(OH)3]=l.41×10-33]制备In2O3的工艺流程如下：写出水铟矿被硫酸酸浸的离子方程式 。从硫酸铟溶液中制备硫酸铟晶体的试验步骤： 、 、过滤、洗涤、枯燥。某争论机构用硫酸提取铟时，酸度(每升溶液中含硫酸的质量)与浸出率关系如图△当酸度为196时，硫酸物质的量浓度为 。△请选择适宜的酸度值： ，并说明选择的理由 。【答案】〔1〕In(OH)3+3H+==In3++H2O蒸发浓缩 冷却结晶①2mol/L △180 酸度值为180时浸出率已经很高，连续增大酸度浸出率变化不大，但会增大生产本钱【解析】将主要成分为In(OH)3的水铟矿溶解于稀硫酸，依据酸碱中和原理得到硫酸铟的溶液，将溶液蒸发浓缩、冷却NaOH溶液为电解液，进展粗铟精炼临到高纯铟，最终将高纯铟溶解于稀硝酸，并通过加热促进硝酸铟分解可得到In2O3；In(OH)3溶解于稀硫酸，发生反响的离子方程式为In(OH)3+3H+=In3++3H2O；从硫酸铟的溶液中获得硫酸铟晶体的方法是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤和枯燥；196g△1961L196g，硫酸的物质的量为98g/mol=2mol，则硫酸的物2mol/L；△180时，浸出率已经很高，且变化已不大，从节约原料和浸出率考虑，适宜的酸180。6】铟(In)主要应用于透亮导电图层、荧光材料、有机合成等，以ITO靶材废料(In2O3、SnO2组成)为原料回收铟的工艺流程如图：：i.锡、锌的性质均与铝的性质相像.ii.铟不与强碱反响，氢氧化铟难与强碱性溶液反响，在较浓的氢氧化钠溶液中也只有少量溶解。iii.Ksp[In(OH)3]=1×10-33 Ksp[Sn(OH)4]=1×10-56海绵状ITO[xIn2O3(1-x)SnO2]可作异佛尔酮二胺合成的催化剂，如图表示一样条件下，两种不同方法制得的催化剂催化异佛尔酮二胺的相对初始速率随x的变化曲线。真空蒸馏法的相对初始速率较大的缘由可能是 ，In2O3、SnO2两种氧化物中，催化效果更好的是 ；酸浸时，铟的浸出率随温度和硫酸浓度的关系如表，锡的浸出率小于20%。30△30△50△70△90△3mol/LH2SO456%72%83%91%4mol/LH2SO468%81%89%94%△写出“浸出”反响的化学方程式： ；△由上表信息可得出规律其他条件不变时铟的浸出率随温度上升而 (填“增大”“减小”或“不变”下同)，温度越高，硫酸浓度对铟的浸出率影响 ；现有一份In2(SO4)3和Sn2(SO4)2的混合溶液，向其中渐渐参加锌粉，测得析出固体的质量随参加锌粉的物质的量关系如下图：该混合溶液中，In3+和Sn4+的物质的量浓度之比为 ；假设“浸酸”后的溶液中In2(SO4)3的浓度为1mol/L，取100mL该溶液向其中滴加氨水，当Sn4+沉淀完全[设c(Sn4+)=1×10-6mol/L]时，溶液的pH= ，此时In3+是否开头形成沉淀 (填“是”或“否”)；“碱熔”时主要反响的离子方程式为 ；以粗铟为阳极，纯铟为阴极，H2SO4、NaCl和InCl3混合液为电解液可提纯粗铟。写出阴极反响的电极方程式： 。【答案】〔1〕真空蒸馏法制取得到的催化剂纯度高 In2O3〔2〕①In2O3+3H2SO4=In2(SO4)3+3H2O、SnO2+2H2SO4=Sn(SO4)2+2H2O ②增大 减小〔3〕4：1〔4〕1.5 否2 〔5〕Zn+2OH-=ZnO2-+H2 〔6〕In3++3e-=In【解析】ITO靶材废料(In2O3、SnO2组成)用H2SO4处理，In2O3In2(SO4)3进入溶液，而SnO2有Sn(SO4)2进入溶液，大局部仍以固体形式存在，过滤后除去固体SnO2，向滤液中参加Zn粉，发生反Sn4++2Zn=Sn+2Zn2+Sn过滤除去，向滤液中参加Zn粉，发生置换反响：3Zn+2In3+=3Zn2++2In，Zn过量，所以过滤，除去滤液，得到的滤渣中含有Zn、InNaOH溶液，发生反响：Zn+2NaOH=Na2ZnO2+H2↑ZnIn，然后电解精炼得到精铟。通过图示可知：在x不变时，真空蒸馏法的相对初始速率较大，可能缘由是蒸馏法得到的催化剂中杂质少纯度高，避开了杂质对催化剂催化作用的影响；在同样条件下，x值越大，相对初始速率越大，说明In2O3的催化效果更好；△酸浸时In2O3、SnO2与硫酸发生反响，“浸出”反响主要发生：In2O3+3H2SO4=In2(SO4)3+3H2O生了反响：SnO2+2H2SO4=Sn(SO4)2+2H2O；1 1Oa段发生反响：Sn4++2Zn=Sn+2Zn2+，n(Sn4+)=2n(Zn)=2×0.02mol=0.01molab段发生反响：2 23Zn+2In3+=3Zn2++2In，n(In3+)=3n(Zn)=3×(0.08-0.02)mol=0.04mol，溶液的体积一样，所以离子浓度比等于它们的物质的量的比，故c(In3+)：c(Sn4+)=0.04：0.01=4：1；〔4由于p[Sn(OH4]=1×156p[Sn(OH)]=c(S4+)·4(OH)=1×1564+)=1×1)=112.5，c(H+)=

K 1014w 10

01.5pH=1.

[In(OH)]=

(SO)

1mol/L，cOH

12.5

sp 3

2 43c(In3+)=2mol/Lc(OH-)=10-12.5mol/L，c(In3+)·c3(OH-)=2×(10-12.5)3=2×10-37.5＜1×10-33In3+不能形成沉淀；2 “碱熔”NaOHZn反响，主要反响的离子方程式为：Zn+2OH-=ZnO2-+H↑2 以粗铟为阳极，纯铟为阴极，H2SO4、NaClInCl3混合液为电解液可提纯粗铟。阳极上In失去电子变In3+In3+In单质，阴极的电极方程式为：In3++3e-=In。【习题7】氮化镓(GaN)被称为第三代半导体材料，其应用取得了突破性的进展。一种镍催化法生产GaN的工艺如图：“热转化”时Ga转化为GaN的化学方程式是 。“酸浸”的目的是 ，“操作△”中包含的操作是 。某学校化学兴趣小