超纯 G a ( C H _ 3 ) _ 3 是制备第三代…——2023 高考化学第 17 题答案解析

2023_省自主命题(湖南)

2023 湖南 第 17 题 解答题 区分题
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17. 超纯 $\mathrm { G a } ( \mathrm { C H } _ { 3 } ) _ { 3 }$ 是制备第三代半导体的支撑源材料之一,近年来,我国科技工作者开发了超纯纯化、超纯分析和超纯灌装一系列高新技术,在研制超纯 $\mathrm { G a } ( \mathrm { C H } _ { 3 } ) _ { 3 }$ 方面取得了显著成果,工业上以粗镓为原

料,制备超纯 $\mathrm { G a } ( \mathrm { C H } _ { 3 } ) _ { 3 }$ 的工艺流程如下:

已知:①金属Ga的化学性质和Al相似,Ga的熔点为 $2 9 . 8 \mathrm { ^ \circ C }$

② $\mathrm { E t } _ { 2 } \mathrm { O } ( \mathrm { Z }$ 醚)和 $\mathrm { N R } _ { 3 }$ (三正辛胺)在上述流程中可作为配体;

③相关物质的沸点:

<table><tr><td>物质</td><td> $\text{Ga(CH}_3\text{)}_3$ </td><td> $\text{Et}_2\text{O}$ </td><td> $\text{CH}_3\text{I}$ </td><td> $\text{NR}_3$ </td></tr><tr><td>沸点/°C</td><td>55.7</td><td>34.6</td><td>42.4</td><td>365.8</td></tr></table>

回答下列问题:

(1)晶体 $\mathrm { G a } ( \mathrm { C H } _ { 3 } ) _ { 3 }$ 的晶体类型是 ;

(2)“电解精炼”装置如图所示,电解池温度控制在 $4 0 - 4 5 ^ { \circ } \mathrm { C }$ 的原因是 \_,阴极的电极反应式为


出料口 阳极残液出口

(3)“合成 $\mathrm { G a } \left( \mathrm { C H } _ { 3 } \right) _ { 3 } \left( \mathrm { E t } _ { 2 } \mathrm { O } \right)$ ”工序中的产物还包括 $\mathrm { M g I } _ { 2 }$ 和 $\mathrm { C H } _ { 3 } \mathrm { M g I }$ ,写出该反应的化学方程式:

(4)“残渣”经纯水处理,能产生可燃性气体,该气体主要成分是

(5)下列说法错误的是A. 流程中 $\mathrm { E t } , \mathrm { O }$ 得到了循环利用B. 流程中,“合成 $\mathrm { G a } _ { 2 } \mathrm { M g } _ { 5 }$ ”至“工序X”需在无水无氧的条件下进行C. “工序X”的作用是解配 $\mathrm { G a } \left( \mathrm { C H } _ { 3 } \right) _ { 3 } \left( \mathrm { N R } _ { 3 } \right)$ ,并蒸出 $\mathrm { G a } \big ( \mathrm { C H } _ { 3 } \big ) _ { 3 }$ D. 用核磁共振氢谱不能区分 $\mathrm { G a } \big ( \mathrm { C H } _ { 3 } \big ) .$ 和 $\mathrm { C H } _ { 3 } \mathrm { I }$

(6)直接分解 $\mathrm { G a } \left( \mathrm { C H } _ { 3 } \right) _ { 3 } \left( \mathrm { E t } _ { 2 } \mathrm { O } \right)$ 不能制备超纯 $\mathrm { G a } \big ( \mathrm { C H } _ { 3 } \big ) _ { 3 }$ ,而本流程采用“配体交换”工艺制备超纯$\mathrm { G a } \big ( \mathrm { C H } _ { 3 } \big ) _ { 3 }$ 的理由是

(7)比较分子中的 $\mathrm { C - G a - C }$ 键角大小: $\mathrm { G a } \left( \mathrm { C H } _ { 3 } \right) _ { 3 }$ $\mathrm { G a } \left( \mathrm { C H } _ { 3 } \right) _ { 3 } \left( \mathrm { E t } _ { 2 } \mathrm { O } \right)$ (填 $\arg 3 9 6 < \Re ( \arg 3 )$ ,其原因是

参考答案

(1) 分子晶体; (2) ①. 保证Ga 为液体,便于纯Ga流出 ②. $\mathrm { G a } ^ { 3 + } { + } 3 \mathrm { e } ^ { - } { = } \mathrm { G a }$ >; (3) $\mathrm { 8 C H _ { 3 } I + 2 E t _ { 2 } O + G a _ { 2 } M g _ { 5 } = 2 G a \left( C H _ { 3 } \right) _ { \scriptscriptstyle 3 } \left( E t _ { 2 } O \right) + 3 M g I _ { 2 } + 2 C H _ { 3 } M g I }$ ; >; (4) $\mathrm { C H } _ { 4 }$; (5) D >; (6) $\mathrm { N R } _ { 3 }$ 沸点较高,易与 $\mathrm { G a } \left( \mathrm { C H } _ { 3 } \right) _ { \updownarrow }$ 分离, $\mathrm { E t _ { 2 } O }$ 的沸点低于 $\mathrm { G a } \left( \mathrm { C H } _ { 3 } \right)$ , 一起气化,难以得到超纯 $\mathrm { G a } \left( \mathrm { C H } _ { 3 } \right)$; (7) ①. > ②. $\mathrm { G a } ( \mathrm { C H } _ { 3 } ) _ { 3 }$ 中 Ga 为 $\mathsf { s p } ^ { 2 }$ 杂化,所以为平面结构,而 $\mathrm { G a ( C H _ { 3 } ) _ { 3 } ( E t _ { 2 } O ) }$ 中 Ga 为 $\mathsf { s p } ^ { 3 }$ 杂化,所以为四面体结构,故夹角较小

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【答案】(1)分子晶体

(2) ①. 保证Ga 为液体,便于纯Ga流出 ②. $\mathrm { G a } ^ { 3 + } { + } 3 \mathrm { e } ^ { - } { = } \mathrm { G a }$

> ③ $\mathrm { 8 C H _ { 3 } I + 2 E t _ { 2 } O + G a _ { 2 } M g _ { 5 } = 2 G a \left( C H _ { 3 } \right) _ { \scriptscriptstyle 3 } \left( E t _ { 2 } O \right) + 3 M g I _ { 2 } + 2 C H _ { 3 } M g I }$ ;

> ④ $\mathrm { C H } _ { 4 }$ ⑤D

> ⑥ $\mathrm { N R } _ { 3 }$ 沸点较高,易与 $\mathrm { G a } \left( \mathrm { C H } _ { 3 } \right) _ { \updownarrow }$ 分离, $\mathrm { E t _ { 2 } O }$ 的沸点低于 $\mathrm { G a } \left( \mathrm { C H } _ { 3 } \right)$ , 一起气化,难以得到超纯 $\mathrm { G a } \left( \mathrm { C H } _ { 3 } \right)$

(7) ①. > ②. $\mathrm { G a } ( \mathrm { C H } _ { 3 } ) _ { 3 }$ 中 Ga 为 $\mathsf { s p } ^ { 2 }$ 杂化,所以为平面结构,而 $\mathrm { G a ( C H _ { 3 } ) _ { 3 } ( E t _ { 2 } O ) }$ 中 Ga 为 $\mathsf { s p } ^ { 3 }$ 杂化,所以为四面体结构,故夹角较小

【解析】

【分析】以粗镓为原料,制备超纯 $\mathrm { G a } ( \mathrm { C H } _ { 3 } ) _ { 3 }$ ,粗 Ga 经过电解精炼得到纯 Ga,Ga 和 $\mathrm { M g }$ 反应生产$\mathrm { G a } _ { 2 } \mathrm { M g } _ { 5 } , \ \mathrm { G a } _ { 2 } \mathrm { M g } _ { 5 }$ 和 $\mathrm { C H } _ { 3 } \mathrm { I } , \ \mathrm { E t } _ { 2 } \mathrm { O }$ 反应生成 $\mathrm { G a } \left( \mathrm { C H } _ { 3 } \right) _ { 3 } \left( \mathrm { E t } _ { 2 } \mathrm { O } \right)$ $\mathrm { M g I } _ { 2 }$ 和 $\mathrm { C H } _ { 3 } \mathrm { M g I }$ ,然后经过蒸发溶剂、蒸馏,除去残渣 $\mathrm { M g I } _ { 2 }$ $\mathrm { C H } _ { 3 } \mathrm { M g I }$ ,加入 $\mathrm { N R } _ { 3 }$ 进行配体交换、进一步蒸出得到超纯 $\mathrm { G a ( C H _ { 3 } ) _ { 3 } , \ E t _ { 2 } O }$ 重复利用,据此解答。

【小问1详解】

晶体 $\mathrm { G a } ( \mathrm { C H } _ { 3 } ) _ { 3 }$ 的沸点较低,晶体类型是分子晶体;

【小问2详解】

电解池温度控制在 $4 0 - 4 5 ^ { \circ } \mathrm { C }$ 可以保证Ga 液体,便于纯 Ga流出;粗Ga 在阳极失去电子,阴极得到为Ga,电极反应式为 $\mathrm { G a } ^ { 3 + } { + } 3 \mathrm { e } ^ { - } { = } \mathrm { G a }$ ;

【小问3详解】

“合成 $\mathrm { G a } \left( \mathrm { C H } _ { 3 } \right) _ { 3 } \left( \mathrm { E t } _ { 2 } \mathrm { O } \right)$ ”工序中的产物还包括 $\mathrm { M g I } _ { 2 }$ 和 $\mathrm { C H } _ { 3 } \mathrm { M g I }$ ,该反应的化学方程式$\mathrm { 8 C H _ { 3 } I + 2 E t _ { 2 } O + G a _ { 2 } M g _ { 5 } = 2 G a \left( C H _ { 3 } \right) _ { 3 } \left( E t _ { 2 } O \right) + 3 M g I _ { 2 } + 2 C H _ { 3 } M g I }$ ;

【小问 4 详解】

“残渣”含 $\mathrm { C H } _ { 3 } \mathrm { M g I }$ ,经纯水处理,能产生可燃性气体 $\mathrm { C H } _ { 4 } ;$

【小问5详解】

A.根据分析,流程中 $\mathrm { E t } , \mathrm { O }$ 得到了循环利用,A 正确;

B. $\mathrm { G a } \left( \mathrm { C H } _ { 3 } \right) _ { 3 } \left( \mathrm { E t } _ { 2 } \mathrm { O } \right)$ 容易和水反应,容易被氧化,则流程中,“合成 $\mathrm { G a } _ { 2 } \mathrm { M g } _ { 5 }$ ”至“工序 $X ^ { \dag }$ 需在无水无氧的条件下进行,B正确;C. “配体交换”得到 $\mathrm { G a } \left( \mathrm { C H } _ { 3 } \right) _ { 3 } \left( \mathrm { N R } _ { 3 } \right)$ ,“工序 $X ^ { \ast }$ 先解构 $\mathrm { G a } \left( \mathrm { C H } _ { 3 } \right) _ { 3 } \left( \mathrm { N R } _ { 3 } \right)$ 后蒸出 $\mathrm { G a } \left( \mathrm { C H } _ { 3 } \right) _ { 3 }$ ,C 正确;D.二者甲基的环境不同,核磁共振氢谱化学位移不同,用核磁共振氢谱能区分 $\mathrm { G a } \left( \mathrm { C H } _ { 3 } \right) _ { 3 }$ 和 $\mathrm { C H } _ { 3 } \mathrm { I }$ ,D 错误;

故选 D;

【小问6详解】

直接分解 $\mathrm { G a } \left( \mathrm { C H } _ { 3 } \right) _ { 3 } \left( \mathrm { E t } _ { 2 } \mathrm { O } \right)$ 时由于 $\mathrm { E t } _ { 2 } \mathrm { O }$ 的沸点较低,与 $\mathrm { G a } ( \mathrm { C H } _ { 3 } ) _ { 3 }$ 一起蒸出,不能制备超纯 $\mathrm { G a } \big ( \mathrm { C H } _ { 3 } \big ) _ { 3 }$ 而本流程采用“配体交换”工艺制备超纯 $\mathrm { G a } \big ( \mathrm { C H } _ { 3 } \big ) _ { 3 }$ 的理由是,根据题给相关物质沸点可知, $\mathrm { N R } _ { 3 }$ 沸点远高于 $\mathrm { G a \left( C H _ { 3 } \right) _ { 3 } }$ ,与 $\mathrm { G a } ( \mathrm { C H } _ { 3 } ) _ { 3 }$ 易分离;

【小问 7 详解】

分子中的 $\mathrm { C - G a - C }$ 键角 $\mathrm { G a } \left( \mathrm { C H } _ { 3 } \right) _ { 3 } { \sim } \mathrm { G a } \left( \mathrm { C H } _ { 3 } \right) _ { 3 } \left( \mathrm { E t } _ { 2 } \mathrm { O } \right)$ ,其原因是 $\mathrm { G a } ( \mathrm { C H } _ { 3 } ) _ { 3 }$ 中 $\mathrm { G a }$ 为 $\mathsf { s p } ^ { 2 }$ 杂化,所以为平面结构,而 $\mathrm { G a ( C H _ { 3 } ) _ { 3 } ( E t _ { 2 } O ) }$ 中 Ga 为 $\mathsf { s p } ^ { 3 }$ 杂化,所以为四面体结构,故夹角较小。

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