Question

3．氮化硼（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和BN，如下图所示：

请回答下列问题：
（1）由B₂O₃制备BF₃、BN的化学方程式依次是B₂O₃+3CaF₂+3H₂SO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2BF₃↑+3CaSO₄+3H₂O、B₂O₃+2NH₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2BN+3H₂O．
（2）基态B原子的电子排布式为1s²2s²sp¹；B和N相比，电负性较大的是N，BN中B元素的化合价为+3．
（3）在BF₃分子中，F-B-F的键角是120°；B原子的杂化轨道类型为sp²，BF₃与过量NaF作用可生成NaBF₄，B的立体构型为正四面体．
（4）六方氮化硼在高温高压下，可以转化为立方氮化硼，其结构与金刚石相似，硬度与金刚石相当，晶胞边长为361.5pm．立方氮化硼晶胞中含有4个氮原子、4个硼原子，立方氮化硼的密度是$\frac{25×4}{（361.5）^{3}{N}_{A}}$ g•cm^-3（只要求列算式，不必计算出数值，阿伏加德罗常数为N_A）．

Answer 1

分析 （1）由图及元素守恒可写出这两个反应的方程式：B₂O₃+3CaF₂+3H₂SO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2BF₃↑+3CaSO₄+3H₂O；B₂O₃+2NH₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2BN+3H₂O；
（2）B的原子序数为5，其基态原子的电子排布式为1s²2s²2p¹；B和N都属于第二周期元素，同周期自左至右元素的电负性逐渐增大，故电负性较大的是N；B属于第ⅢA族元素，化合价为+3价．
（3）依据价层电子对互斥理论，计算出的孤对电子对数以及价层电子对数，可判断出分子的空间构型；
（4）描述晶体结构的基本单元叫做晶胞，金刚石晶胞是立方体，其中8个顶点有8个碳原子，6个面各有6个碳原子，立方体内部还有4个碳原子，如图所示：所以金刚石的一个晶胞中含有的碳原子数=8×$\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，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；B₂O₃与氨气在高温下反应即生成BN，方程式为B₂O₃+2NH₃ $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2BN+3H₂O，
故答案为：B₂O₃+3CaF₂+3H₂SO₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2BF₃↑+3CaSO₄+3H₂O；B₂O₃+2NH₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2BN+3H₂O；
（2）基态B原子的电子排布式为1s²2s²sp¹；B与N 均位于第二周期，电负性从左向右依次递减，所以N的电负性大于B；BN中B元素的化合价为+3．故答案为：1s²2s²sp¹；N；+3；
（3）依据价层电子对互斥理论，计算出BF₃的孤对电子对数=$\frac{1}{2}$×（a-xb）=$\frac{1}{2}$×（3-3×1）=0，并且价层电子对数为3，所以BF₃分子为平面正三角形结构，键角为120°，杂化方式为sp²；BF₄^-中心原子的孤对电子对数=$\frac{1}{2}$×（a-xb）=$\frac{1}{2}$×（4-4×1）=0，其价层电子对数为4，所以其结构为正四面体．故答案为：120°；sp²；正四面体；
（4）根据金刚石的结构可以判断出金刚石的一个晶胞中含有的碳原子数=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$+4=8，因此一个立方氮化硼晶胞中含有4个N原子和4个B原子．一个晶胞中的质量为$\frac{25g}{{N}_{A}}$，一个立方氮化硼晶胞的体积是（361.5pm）³，因此立方氮化硼的密度$\frac{25×4}{（361.5）^{3}{N}_{A}}$是 g•pm^-3．
故答案为：4；4；$\frac{25×4}{（361.5）^{3}{N}_{A}}$．

点评 本题考查较为全面，涉及到化学方程式的书写、电子排布式、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，题目难度中等．