Question

4．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(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)可以得到BF₃和BN，如下圖所示：

請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
（1）由B₂O₃制備BF₃、BN的化學(xué)方程式依次是B₂O₃+3CaF₂+3H₂SO₄ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2BF₃↑+3CaSO₄+3H₂O、B₂O₃+2NH₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2BN+3H₂O；
（2）基態(tài)B原子的電子排布式為1s²2s²2p¹；B和N相比，電負(fù)性較大的是N，BN中B元素的化合價(jià)為+3；
（3）在BF₃分子中，F(xiàn)-B-F的建角是120°，B原子的雜化軌道類型為sp²，BF₃和過(guò)量NaF作用可生成NaBF₄，BF₄^-的立體結(jié)構(gòu)為正四面體；
（4）在與石墨結(jié)構(gòu)相似的六方氮化硼晶體中，層內(nèi)B原子與N原子之間的化學(xué)鍵為共價(jià)鍵（或極性共價(jià)鍵），層間作用力為分子間作用力；
（5）六方氫化硼在高溫高壓下，可以轉(zhuǎn)化為立方氮化硼，其結(jié)構(gòu)與金剛石相似，硬度與金剛石相當(dāng)，晶胞邊長(zhǎng)為361.5pm，立方氮化硼晶胞中含有4個(gè)氮原子、4個(gè)硼原子，立方氮化硼的密度是$\frac{25×4}{（361.5×1{0}^{-10}）^{3}×{N}_{A}}$g•cm-3（只要求列算式，不必計(jì)算出數(shù)值，阿伏伽德羅常數(shù)為N_A）．

Answer 1

分析 （1）由圖可知B₂O₃與CaF₂和H₂SO₄反應(yīng)即生成BF₃，同時(shí)還應(yīng)該產(chǎn)生硫酸鈣和水，結(jié)合原子個(gè)數(shù)守恒寫(xiě)出方程式；
（2）基態(tài)B原子核外有5個(gè)電子，根據(jù)核外電子排布規(guī)律書(shū)寫(xiě)電子排布式；依據(jù)同周期從左到右電負(fù)性依次增強(qiáng)，判斷電負(fù)性強(qiáng)弱；B第ⅢA族元素，為+3價(jià)；
（3）價(jià)層電子對(duì)互斥理論認(rèn)為：分子的立體構(gòu)型是“價(jià)層電子對(duì)”相互排斥的結(jié)果，先判斷價(jià)層電子對(duì)數(shù)，再確定構(gòu)型和雜化方式；價(jià)層電子對(duì)互斥理論判斷其σ電子對(duì)和孤電子對(duì)數(shù)目；
（4）B、N均屬于非金屬元素，二者形成的化學(xué)鍵是極性共價(jià)鍵；根據(jù)其結(jié)構(gòu)與石墨相似，層與層之間應(yīng)該靠分子間作用力結(jié)合．
（5）描述晶體結(jié)構(gòu)的基本單元叫做晶胞，金剛石晶胞是立方體，其中8個(gè)頂點(diǎn)有8個(gè)碳原子，6個(gè)面各有6個(gè)碳原子，立方體內(nèi)部還有4個(gè)碳原子，如圖所示：所根據(jù)晶胞的結(jié)構(gòu)，利用均攤法可知金剛石晶胞中含有碳原子數(shù)為4+6×$\frac{1}{2}$+8×$\frac{1}{8}$=8，因此立方氮化硼晶胞中應(yīng)該含有4個(gè)N和4個(gè)B原子，一個(gè)晶胞中的質(zhì)量為$\frac{25g}{{N}_{A}}$，根據(jù)ρ=$\frac{m}{V}$計(jì)算密度．

解答 解：（1）由圖可知B₂O₃與CaF₂和H₂SO₄反應(yīng)即生成BF₃，同時(shí)還應(yīng)該產(chǎn)生硫酸鈣和水，方程式為B₂O₃+3CaF₂+3H₂SO₄ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2BF₃↑+3CaSO₄+3H₂O；B₂O₃與氨氣在高溫下反應(yīng)即生成BN，方程式為B₂O₃+2NH₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2BN+3H₂O；
故答案為：B₂O₃+3CaF₂+3H₂SO₄ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2BF₃↑+3CaSO₄+3H₂O；B₂O₃+2NH₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2BN+3H₂O；
（2）硼原子核外電子數(shù)目為5，原子的電子排布式為1s²2s²2p¹；同周期從左到右電負(fù)性依次增強(qiáng)，所以電負(fù)性N＞B；B第ⅢA族元素，為+3價(jià)；
故答案為：1s²2s²2p¹；N；+3；
（3）BF₃分子的中心原子B原子上含有3個(gè)σ 鍵，中心原子上的孤電子對(duì)數(shù)=$\frac{1}{2}$（a-xb）=$\frac{1}{2}$（0-3×1）=0，所以BF₃分子的VSEPR模型是平面三角型，中心原子上沒(méi)有孤對(duì)電子，所以其空間構(gòu)型就是平面三角形，鍵角是120°，BF₃分子的中心原子B原子的價(jià)層電子對(duì)數(shù)為；3，屬于sp²雜化；BF₃和過(guò)量NaF作用可生成NaBF₄，BF₄^-中B原子的價(jià)層電子對(duì)=4+$\frac{1}{2}$（3+1-4）=4，該離子中不含孤電子對(duì)，為正四面體結(jié)構(gòu)．
故答案為：120°；sp²；正四面體．
（4）B、N均屬于非金屬元素，二者形成的化學(xué)鍵是極性共價(jià)鍵；根據(jù)石墨結(jié)構(gòu)可知六方氮化硼晶體中，層與層之間靠分子間作用力結(jié)合，
故答案為：共價(jià)鍵（或極性共價(jià)鍵）；分子間作用力；
（5）金剛石晶胞是立方體，晶胞的結(jié)構(gòu)如圖所示：其中8個(gè)頂點(diǎn)有8個(gè)碳原子，6個(gè)面各有6個(gè)碳原子，立方體內(nèi)部還有4個(gè)碳原子，利用均攤法可知金剛石晶胞中含有碳原子數(shù)為4+6×$\frac{1}{2}$+8×$\frac{1}{8}$=8，因此立方氮化硼晶胞中應(yīng)該含有4個(gè)N和4個(gè)B原子，一個(gè)晶胞中的質(zhì)量為$\frac{25g}{{N}_{A}}$，ρ=$\frac{m}{V}$=$\frac{25×4}{（361.5×1{0}^{-10}）^{3}×{N}_{A}}$g/cm³，
故答案為：4；4； $\frac{25×4}{（361.5×1{0}^{-10}）^{3}×{N}_{A}}$．

點(diǎn)評(píng) 本題考查較為全面，涉及到化學(xué)方程式的書(shū)寫(xiě)、電子排布式、分子空間構(gòu)型、雜化類型的判斷以及有關(guān)晶體的計(jì)算，但解題具有較強(qiáng)的方法性和規(guī)律性，學(xué)習(xí)中注意總結(jié)如何書(shū)寫(xiě)電子排布式，如何判斷分子空間構(gòu)型以及有關(guān)晶體計(jì)算等方法，題目難度中等．