Question

13．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\;}}{\;}$2BN+3H₂O；
（2）在BF₃分子中，F-B-F的键角是120°，B原子的杂化轨道类型为sp²，BF₃和过量NaF作用可生成NaBF₄，BF₄^-的立体结构为正四面体；
（3）在与石墨结构相似的六方氮化硼晶体中，层内B原子与N原子之间的化学键为共价键（或极性共价键），层间作用力为分子间作用力；
（4）六方氮化硼在高温高压下，可以转化为立方氮化硼，其结构与金刚石相似，硬度与金刚石相当，晶胞边长为361.5pm，立方氮化硼晶胞中含有4个氮原子、4个硼原子，立方氮化硼的密度是$\frac{25×4}{（361.5）^{3}{N}_{A}}$g•cm^-3（只要求列算式，不必计算出数值，阿伏伽德罗常数为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；
（2）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；
（3）B、N均属于非金属元素，二者形成的化学键是极性共价键；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．
（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×$\frac{1}{8\frac{（\;\;\;\;）}{（\;\;\;\;）}}$+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$\frac{25g}{N{\;}_{A}}$，根据$ρ=\frac{m}{V}$计算密度．

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\;}}{\;}$2BN+3H₂O；
（2）依据价层电子对互斥理论，计算出BF₃的孤对电子对数=$\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}$×（4-4×1）=0，其价层电子对数为4，所以其结构为正四面体，
故答案为：120°；sp²；正四面体；
（3）B、N均属于非金属元素，二者形成的化学键是极性共价键；根据石墨结构可知六方氮化硼晶体中，层与层之间靠分子间作用力结合，
故答案为：共价键（或极性共价键）；分子间作用力；
（4）根据金刚石的结构可以判断出金刚石的一个晶胞中含有的碳原子数=8×$\frac{1}{8\frac{（\;\;\;\;）}{（\;\;\;\;）}}$+6×$\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是 $\frac{25×4}{（361.5）^{3}{N}_{A}}$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．