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，經過一系列反應可以得到BF₃和BN，如下圖所示：

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

Answer 1

分析 （1）由圖可知B₂O₃與CaF₂和H₂SO₄反應即生成BF₃，同時還應該產生硫酸鈣和水，結合原子個數守恒寫出方程式；
（2）基態(tài)B原子核外有5個電子，根據核外電子排布規(guī)律書寫電子排布式；依據同周期從左到右電負性依次增強，判斷電負性強弱；B第ⅢA族元素，為+3價；
（3）價層電子對互斥理論認為：分子的立體構型是“價層電子對”相互排斥的結果，先判斷價層電子對數，再確定構型和雜化方式；價層電子對互斥理論判斷其σ電子對和孤電子對數目；
（4）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．
（5）描述晶體結構的基本單元叫做晶胞，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：所根據晶胞的結構，利用均攤法可知金剛石晶胞中含有碳原子數為4+6×$\frac{1}{2}$+8×$\frac{1}{8}$=8，因此立方氮化硼晶胞中應該含有4個N和4個B原子，一個晶胞中的質量為$\frac{25g}{{N}_{A}}$，根據ρ=$\frac{m}{V}$計算密度．

解答 解：（1）由圖可知B₂O₃與CaF₂和H₂SO₄反應即生成BF₃，同時還應該產生硫酸鈣和水，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\;}}{\;}$2BN+3H₂O；
（2）硼原子核外電子數目為5，原子的電子排布式為1s²2s²2p¹；同周期從左到右電負性依次增強，所以電負性N＞B；B第ⅢA族元素，為+3價；
故答案為：1s²2s²2p¹；N；+3；
（3）BF₃分子的中心原子B原子上含有3個σ 鍵，中心原子上的孤電子對數=$\frac{1}{2}$（a-xb）=$\frac{1}{2}$（0-3×1）=0，所以BF₃分子的VSEPR模型是平面三角型，中心原子上沒有孤對電子，所以其空間構型就是平面三角形，鍵角是120°，BF₃分子的中心原子B原子的價層電子對數為；3，屬于sp²雜化；BF₃和過量NaF作用可生成NaBF₄，BF₄^-中B原子的價層電子對=4+$\frac{1}{2}$（3+1-4）=4，該離子中不含孤電子對，為正四面體結構．
故答案為：120°；sp²；正四面體．
（4）B、N均屬于非金屬元素，二者形成的化學鍵是極性共價鍵；根據石墨結構可知六方氮化硼晶體中，層與層之間靠分子間作用力結合，
故答案為：共價鍵（或極性共價鍵）；分子間作用力；
（5）金剛石晶胞是立方體，晶胞的結構如圖所示：其中8個頂點有8個碳原子，6個面各有6個碳原子，立方體內部還有4個碳原子，利用均攤法可知金剛石晶胞中含有碳原子數為4+6×$\frac{1}{2}$+8×$\frac{1}{8}$=8，因此立方氮化硼晶胞中應該含有4個N和4個B原子，一個晶胞中的質量為$\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； $\frac{25×4}{（361.5×1{0}^{-10}）^{3}×{N}_{A}}$．

點評 本題考查較為全面，涉及到化學方程式的書寫、電子排布式、分子空間構型、雜化類型的判斷以及有關晶體的計算，但解題具有較強的方法性和規(guī)律性，學習中注意總結如何書寫電子排布式，如何判斷分子空間構型以及有關晶體計算等方法，題目難度中等．