Question

3．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)過一系列反應(yīng)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\;}}{\;}$2BN+3H₂O．
（2）基態(tài)B原子的電子排布式為1s²2s²sp¹；B和N相比，電負性較大的是N，BN中B元素的化合價為+3．
（3）在BF₃分子中，F(xiàn)-B-F的鍵角是120°；B原子的雜化軌道類型為sp²，BF₃與過量NaF作用可生成NaBF₄，B的立體構(gòu)型為正四面體．
（4）六方氮化硼在高溫高壓下，可以轉(zhuǎn)化為立方氮化硼，其結(jié)構(gòu)與金剛石相似，硬度與金剛石相當，晶胞邊長為361.5pm．立方氮化硼晶胞中含有4個氮原子、4個硼原子，立方氮化硼的密度是$\frac{25×4}{（361.5）^{3}{N}_{A}}$ g•cm^-3（只要求列算式，不必計算出數(shù)值，阿伏加德羅常數(shù)為N_A）．

Answer 1

分析 （1）由圖及元素守恒可寫出這兩個反應(yīng)的方程式：B₂O₃+3CaF₂+3H₂SO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2BF₃↑+3CaSO₄+3H₂O；B₂O₃+2NH₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2BN+3H₂O；
（2）B的原子序數(shù)為5，其基態(tài)原子的電子排布式為1s²2s²2p¹；B和N都屬于第二周期元素，同周期自左至右元素的電負性逐漸增大，故電負性較大的是N；B屬于第ⅢA族元素，化合價為+3價．
（3）依據(jù)價層電子對互斥理論，計算出的孤對電子對數(shù)以及價層電子對數(shù)，可判斷出分子的空間構(gòu)型；
（4）描述晶體結(jié)構(gòu)的基本單元叫做晶胞，金剛石晶胞是立方體，其中8個頂點有8個碳原子，6個面各有6個碳原子，立方體內(nèi)部還有4個碳原子，如圖所示：所以金剛石的一個晶胞中含有的碳原子數(shù)=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$+4=8，因此立方氮化硼晶胞中應(yīng)該含有4個N和4個B原子．一個晶胞中的質(zhì)量為 $\frac{25g}{{N}_{A}}$，一個立方氮化硼晶胞的體積是（361.5pm）³，因此立方氮化硼的密度是 $\frac{25×4}{（361.5）^{3}{N}_{A}}$g•pm^-3．

解答 解：（1）由圖可知B₂O₃與CaF₂和H₂SO₄反應(yīng)即生成BF₃，同時還應(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\;}}{\;}$2BN+3H₂O；
（2）基態(tài)B原子的電子排布式為1s²2s²sp¹；B與N 均位于第二周期，電負性從左向右依次遞減，所以N的電負性大于B；BN中B元素的化合價為+3．故答案為：1s²2s²sp¹；N；+3；
（3）依據(jù)價層電子對互斥理論，計算出BF₃的孤對電子對數(shù)=$\frac{1}{2}$×（a-xb）=$\frac{1}{2}$×（3-3×1）=0，并且價層電子對數(shù)為3，所以BF₃分子為平面正三角形結(jié)構(gòu)，鍵角為120°，雜化方式為sp²；BF₄^-中心原子的孤對電子對數(shù)=$\frac{1}{2}$×（a-xb）=$\frac{1}{2}$×（4-4×1）=0，其價層電子對數(shù)為4，所以其結(jié)構(gòu)為正四面體．故答案為：120°；sp²；正四面體；
（4）根據(jù)金剛石的結(jié)構(gòu)可以判斷出金剛石的一個晶胞中含有的碳原子數(shù)=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$+4=8，因此一個立方氮化硼晶胞中含有4個N原子和4個B原子．一個晶胞中的質(zhì)量為$\frac{25g}{{N}_{A}}$，一個立方氮化硼晶胞的體積是（361.5pm）³，因此立方氮化硼的密度$\frac{25×4}{（361.5）^{3}{N}_{A}}$是 g•pm^-3．
故答案為：4；4；$\frac{25×4}{（361.5）^{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(gòu)型、雜化類型的判斷以及有關(guān)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(jié)如何書寫電子排布式，如何判斷分子空間構(gòu)型以及有關(guān)晶體計算等方法，題目難度中等．