Question

18．硼元素在自然界主要以硼酸．硼酸鹽和硼硅酸鹽存在．請回答下列問題：
（1）硼元素是ⅢA族的第一個(gè)元素，原子結(jié)構(gòu)示意圖為，天然硼元素有兩種穩(wěn)定同位素¹⁰B、¹¹B，其相對原子質(zhì)量分別為10和11，它們的相對豐度分別為20%和80%，硼元素的平均相對質(zhì)量為10.8．
（2）硼酸（H₃BO₃）是一元弱酸，工業(yè)上用硼砂（Na₂B₄O₇•10H₂O）制備硼酸晶體的流程如圖甲：
不同溫度下硼酸的溶解度見下表：

溫度/℃	0	20	40	60	80
溶解度/g	2.7	5.0	8.7	14.8	23.8

①寫出硼砂溶液和稀硫酸反應(yīng)的離子方程式5H₂O+B₄O₇^2-+2H⁺=4H₃BO₃．
②上述流程中獲得粗硼酸晶體的操作Ⅰ為降溫結(jié)晶（冷卻熱飽和溶液）、過濾，進(jìn)一步將粗硼酸晶體提純的方法是重結(jié)晶．
③25℃時(shí)0.1mol/L硼酸溶液的PH約為5.1，則其電離常數(shù)K約為10^-9.2．
（3）硼酸在加熱過程中發(fā)生分解的失重曲線如圖乙所示．
①硼酸從開始加熱到107℃時(shí)，發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為H₃BO₃═HBO₂+H₂O．
②硼酸加熱到160℃得到的固體的化學(xué)式為H₂B₄O₇．（B元素的相對原子質(zhì)量按11計(jì)算）
（4）NaBH₄由于H元素顯-1價(jià)，具有強(qiáng)還原性，是有機(jī)化學(xué)上的萬能還原劑．在堿性條件下電解NaBO₂溶液可以制得NaBH₄，其反應(yīng)方程式為NaBO₂+2H₂O=2O₂↑+NaBH₄，則陰極反應(yīng)式為BO₂^-+6H₂O+8e-=BH₄^-+8OH^-．

Answer 1

分析 （1）硼的原子序數(shù)為5，最外層含有3個(gè)電子，據(jù)此畫出其原子結(jié)構(gòu)示意圖；硼元素的平均相對質(zhì)量=各元素的相對原子質(zhì)量與相對豐度的乘積之和；
（2）①Na₂B₄O₇•10H₂O與稀硫酸反應(yīng)生成H₃BO₃和硫酸鈉，據(jù)此寫出反應(yīng)的離子方程式；
②根據(jù)硼酸的溶解度與溫度的關(guān)系可知，降低溫度可以降低硼酸的溶解度，據(jù)此判斷操作Ⅰ；若進(jìn)一步提純硼酸，可進(jìn)行重結(jié)晶；
③25℃時(shí)0.1mol/L硼酸溶液的pH約為5.1，則氫離子濃度為：c（H⁺）=10^-5.1mol/L，c（H₂BO₃^-）≈c（H⁺）=10^-5.1mol/L，由于硼酸的電離程度較小，則0.1mol/L硼酸溶液中未電離的硼酸濃度約為0.1mol/L，結(jié)合電離平衡常數(shù)的表達(dá)式計(jì)算出硼酸的電離平衡常數(shù)；
（3）①加熱硼酸的過程中，固體減少部分為水的質(zhì)量，根據(jù)質(zhì)量變化及硼酸的物質(zhì)的量計(jì)算出1分子硼酸分解生成水的物質(zhì)的量，然后寫出反應(yīng)方程式；
②固體減少的質(zhì)量為水的質(zhì)量，根據(jù)質(zhì)量守恒定律判斷反應(yīng)后固體的化學(xué)式；
（4）電解池中陽極發(fā)生氧化反應(yīng)、陰極發(fā)生還原反應(yīng)，結(jié)合總反應(yīng)方程式及化合價(jià)變化寫出陰極電解反應(yīng)式．

解答 解：（1）硼的核電荷數(shù)=核外電子總數(shù)=5，其原子結(jié)構(gòu)示意圖為：；天然硼元素有兩種穩(wěn)定同位素¹⁰B、¹¹B，其相對原子質(zhì)量分別為10和11，它們的相對豐度分別為20%和80%，則硼元素的平均相對質(zhì)量為：10×20%+11×80%=10.8，
故答案為：； 10.8；
（2）①硼砂溶液中溶質(zhì)為Na₂B₄O₇•10H₂O，與稀硫酸反應(yīng)生成H₃BO₃和硫酸鈉，反應(yīng)的離子方程式為：5H₂O+B₄O₇^2-+2H⁺=4H₃BO₃，
故答案為：5H₂O+B₄O₇^2-+2H⁺=4H₃BO₃； 
②根據(jù)表中硼酸的溶解度可知，硼酸受溫度的影響較大，可以通過降低溫度的方法分離出硼酸，則上述流程中獲得粗硼酸晶體的操作Ⅰ為降溫結(jié)晶（冷卻熱飽和溶液）、過濾，若進(jìn)一步將粗硼酸晶體提純，可以通過重結(jié)晶的方法完成，
故答案為：降溫結(jié)晶（冷卻熱飽和溶液）；重結(jié)晶；
③25℃時(shí)0.1mol/L硼酸溶液的pH約為5.1，則該溶液中氫離子濃度為：c（H⁺）=10^-5.1mol/L，c（H₂BO₃^-）≈c（H⁺）=10^-5.1mol/L，由于硼酸的電離程度較小，則0.1mol/L硼酸溶液中未電離的硼酸濃度約為0.1mol/L，所以硼酸的電離平衡常數(shù)為：K=$\frac{1{0}^{-5.1}×1{0}^{-5.1}}{0.1}$=10^-9.2，
故答案為：10^-9.2；
（3）①2.48g硼酸的物質(zhì)的量為：$\frac{2.48g}{62g/mol}$=0.04mol，107℃時(shí)減少的固體質(zhì)量為：2.48g-1.76g=0.72g，減少部分應(yīng)該為水的質(zhì)量，減少的水的物質(zhì)的量為：$\frac{0.72g}{18g/mol}$=0.04mol，則1分子硼酸失去1分子水，所以該過程中反應(yīng)的方程式為：H₃BO₃═HBO₂+H₂O，
故答案為：H₃BO₃═HBO₂+H₂O；
②剩余固體從107℃加熱到160℃時(shí)，減少水的質(zhì)量為：1.76g-1.58g=0.18g，其物質(zhì)的量為：$\frac{0.18g}{18g/mol}$=0.01mol，0.04mol HBO₂中含有0.04molH、0.04molB和0.08molO，失去0.01mol水后得到的固體中含有：0.02molH、0.04molB和0.07molO，則H、B、O原子數(shù)之比為：2：4：7，則反應(yīng)后固體的化學(xué)式為：H₂B₄O₇，
故答案為：H₂B₄O₇；
（4）總反應(yīng)為NaBO₂+2H₂O=2O₂↑+NaBH₄，電解過程中陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，則陰極H₂O得到電子與BO₂^-結(jié)合生成BH₄^-和氫氧根離子，陰極的電極反應(yīng)式為：BO₂^-+6H₂O+8e-=BH₄^-+8OH^-，
故答案為：BO₂^-+6H₂O+8e-=BH₄^-+8OH^-．

點(diǎn)評 本題考查了制備實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，題目難度較大，涉及原子結(jié)構(gòu)與元素周期表的應(yīng)用、物質(zhì)制備方案的設(shè)計(jì)、電解原理及其應(yīng)用、電離平衡常數(shù)的計(jì)算等知識，試題知識點(diǎn)較多、綜合性較強(qiáng)，充分考查了學(xué)生靈活應(yīng)用基礎(chǔ)知識的能力，注意掌握物質(zhì)制備方案的設(shè)計(jì)與評價(jià)方法，（3）為難點(diǎn)，明確固體減少部分為水的質(zhì)量為解答關(guān)鍵．