Question

【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 Ga2O3、GeO2、SiO2、Al2O3）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++3H2O、Ga2O3+6H+=2Ga3++3H2O 和_____。

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

a．20~84℃ b．84~183℃ c．84~201℃

（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 至 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+与 NaOH 溶液反应生成 GaO ，GaO 在阴极放电的电极反应式是_____________________。

Answer 1

【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，Ga2O3、GeO2、Al2O3皆可溶于盐酸，所以，①中发生的反应有Al2O3+6H+=2Al3++3H2O、Ga2O3+6H+=2Ga3++3H2O和GeO2+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+与 NaOH 溶液反应生成 GaO，GaO在阴极放电生成Ga，其电极反应式是GaO+3e-+2H2O=Ga+4OH-。