Question

18．氧化硼（BN）是一种重要的功能陶瓷材料．以天然硼砂为起始物，经过一系列反应可以得到BF₃气体和BN，如图1所示：

请回答下列问题：
（1）基态B原子的电子排布式为1s²2s²2p¹；基态N原子价电子排布图为
（2）在BF₃分子中，键角是120°，B原子的杂化轨道类型为sp²杂化，BF₃和过量NaF作用可生成NaBF₄，BF₄的立体构型为正四面体
（3）由B₂O₃制备BF₃的化学方程式是B₂O₃+3CaF₂+3H₂SO₄ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2BF₃↑+3CaSO₄+3H₂O
（4）六方氮化硼晶体与石墨晶体结构相似，该晶体层间相互作用力为范德华力
六方氮化硼在高温高压下，可以转化为立方氮化硼，其结构与金刚石相似（如图2所示），硬度与金刚石相当，已知立方氮化硼的晶胞边长为361.5pm，则立方氮化硼的密度是$\frac{25×4}{（361.5×10{\;}^{-10}）{\;}^{3}{N}_{A}}$g•cm^-3=3.52g•cm^-3（列式并计算．阿伏加德罗常数为N_A）．

Answer 1

分析 （1）硼原子核外电子数目为5，根据核外电子排布规律书写电子排布式；氮的价电子数为5，据此画价电子排布图；
（2）价层电子对互斥理论认为：分子的立体构型是“价层电子对”相互排斥的结果，先判断价层电子对数，再确定构型和杂化方式；价层电子对互斥理论判断其σ电子对和孤电子对数目；
（3）由图及元素守恒可写出由B₂O₃制备BF₃的方程式；
（4）根据其结构与石墨相似，层与层之间应该靠分子间作用力结合；金刚石晶胞是立方体，其中8个顶点有8个碳原子，6个面各有6个碳原子，立方体内部还有4个碳原子，所以金刚石的一个晶胞中含有的碳原子数=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$+4=8，因此立方氮化硼晶胞中应该含有4个N和4个B原子．一个晶胞中的质量为 $\frac{25g}{{N}_{A}}$，一个立方氮化硼晶胞的体积是（361.5pm）³，根据$ρ=\frac{m}{V}$计算密度；因此立方氮化硼的密度是 $\frac{25×4}{（361.5×10{\;}^{-10}）{\;}^{3}{N}_{A}}$g•cm^-3．

解答 解：（1）硼原子核外电子数目为5，原子的电子排布式为1s²2s²2p¹，氮的价电子数为5，价电子排布图为，
故答案为：1s²2s²2p¹；；
（2）BF₃分子的中心原子B原子上含有3个σ 键，中心原子上的孤电子对数=$\frac{1}{2}$（a-xb）=$\frac{1}{2}$（0-3×1）=0，所以BF₃分子的VSEPR模型是平面三角型，中心原子上没有孤对电子，所以其空间构型就是平面三角形，键角是120°，BF₃分子的中心原子B原子的价层电子对数为3，属于sp²杂化；BF₃和过量NaF作用可生成NaBF₄，BF₄^-中B原子的价层电子对为4，该离子中不含孤电子对，为正四面体结构，
故答案为：120°；sp²杂化；正四面体；
（3）由图可知B₂O₃与CaF₂和H₂SO₄反应即生成BF₃，同时还应该产生硫酸钙和水，方程式为B₂O₃+3CaF₂+3H₂SO₄ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2BF₃↑+3CaSO₄+3H₂O，
故答案为：B₂O₃+3CaF₂+3H₂SO₄ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2BF₃↑+3CaSO₄+3H₂O；
（4）在与石墨结构相似的六方氮化硼晶体中，层内B原子与N原子之间的化学键为共价键，层间作用力为范德华力，根据金刚石的结构可以判断出金刚石的一个晶胞中含有的碳原子数=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$+4=8，因此立方氮化硼晶胞中应该含有4个N和4个B原子．一个晶胞中的质量为 $\frac{25g}{{N}_{A}}$，一个立方氮化硼晶胞的体积是（361.5pm）³，因此立方氮化硼的密度是 $\frac{25×4}{（361.5×10{\;}^{-10}）{\;}^{3}{N}_{A}}$g•cm^-3=3.52g•cm^-3，
故答案为：范德华力； $\frac{25×4}{（361.5×10{\;}^{-10}）{\;}^{3}{N}_{A}}$g•cm^-3；3.52．

点评 本题考查较为全面，涉及到化学方程式的书写、分子空间构型、杂化类型的判断以及有关晶体的计算，但解题具有较强的方法性和规律性，学习中注意总结如何书写电子排布式，如何判断分子空间构型以及有关晶体计算等方法．