Question

6．氮化硼（BN）是一種重要的功能陶瓷材料．以天然硼砂為起始物，經過一系列反應可以得到BF₃和BN．關于BF₃和BN，請回答下列問題：
（1）基態(tài)B原子的電子排布式為1s²2s²sp¹； BN中B元素的化合價為N；
（2）在BF₃分子中，F(xiàn)-B-F的鍵角是120°，B原子的雜化軌道類型為sp²，BF₃和過量NaF作用可生成NaBF₄，BF${\;}_{4}^{-}$的立體構型為正四面體；
（3）在與石墨結構相似的六方氮化硼晶體中，層內B原子與N原子之間的化學鍵為共價鍵（或極性共價鍵），，層間作用力為分子間作用力；
（4）六方氮化硼在高溫高壓下，可以轉化為立方氮化硼，立方氮化硼中氮原子與硼原子交錯排列，其晶體結構與金剛石相似，硬度與金剛石相當，晶胞邊長為3.615×10^-10cm，立方氮化硼的晶體類型是原子晶體，立方氮化硼中晶胞含有4個硼原子，晶胞的密度是=$\frac{25×4}{（3.615×1{0}^{-10}）^{3}×{N}_{A}}$g•cm^-3．（只列算式，不必計算出數(shù)值，阿伏伽德羅常數(shù)為N_A，相對原子質量：N-14    B-11 ）．

Answer 1

分析 （1）B原子核外電子數(shù)為5，根據能量最低原理書寫核外電子排布；B屬于第ⅢA族元素，化合價為+3價；
（2）計算B原子價層電子對數(shù)、孤電子對數(shù)，確定BF₃分子、BF₄^-的空間結構，判斷BF₃中鍵角、B原子雜化方式；
（3）B、N均屬于非金屬元素，二者形成的化學鍵是極性共價鍵；根據其結構與石墨相似，層與層之間應該靠分子間作用力結合；
（4）立方氮化硼中氮原子與硼原子交錯排列，其晶體結構與金剛石相似，硬度與金剛石相當，立方氮化硼屬于原子晶體；金剛石晶胞是立方體，其中8個頂點有8個碳原子，6個面各有6個碳原子，立方體內部還有4個碳原子，如圖所示：，所以金剛石的一個晶胞中含有的碳原子數(shù)=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$+4=8，因此立方氮化硼晶胞中應該含有4個N和4個B原子，計算BN晶胞的質量、晶胞的體積，根據ρ=$\frac{m}{V}$計算密度．

解答 解：（1）基態(tài)B原子的電子排布式為1s²2s²sp¹，BN中B元素的化合價為+3，故答案為：1s²2s²sp¹；+3；
（2）BF₃中B原子孤對電子對數(shù)=$\frac{1}{2}$×（3-3×1）=0，B原子形成3個σ 鍵，所以BF₃分子為平面正三角形，鍵角為120°，雜化軌道數(shù)目為3+0=3，B原子雜化方式為sp²；BF₄^-中心原子的孤對電子對數(shù)=$\frac{1}{2}$×（3+1-4×1）=0，B原子形成4個σ 鍵，所以其結構為正四面體，故答案為：120°；sp²；正四面體；
（3）B、N均屬于非金屬元素，二者形成的化學鍵是極性共價鍵；根據石墨結構可知六方氮化硼晶體中，層與層之間靠分子間作用力結合，故答案為：共價鍵（或極性共價鍵）；分子間作用力；
（4）立方氮化硼中氮原子與硼原子交錯排列，其晶體結構與金剛石相似，硬度與金剛石相當，立方氮化硼屬于原子晶體；金剛石晶胞是立方體，其中8個頂點有8個碳原子，6個面各有6個碳原子，立方體內部還有4個碳原子，如圖所示：，所以金剛石的一個晶胞中含有的碳原子數(shù)=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$+4=8，因此立方氮化硼晶胞中應該含有4個N和4個B原子，BN晶胞中的質量為$\frac{25g}{{N}_{A}}$，一個立方氮化硼晶胞的體積是（3.615×10^-10cm）³，因此立方氮化硼的密度=$\frac{25g}{{N}_{A}}$÷（3.615×10^-10cm）³=$\frac{25×4}{（3.615×1{0}^{-10}）^{3}×{N}_{A}}$g•cm^-3，
故答案為：原子晶體；4；$\frac{25×4}{（3.615×1{0}^{-10}）^{3}×{N}_{A}}$．

點評 本題是對物質結構的考查，涉及核外電子排布、分子空間構型、雜化類型的判斷、晶胞結構以及晶胞的有關計算，（4）為易錯點，注意熟記中學常見晶胞結構，難度中等．