Question

18．硼元素在自然界主要以硼酸．硼酸盐和硼硅酸盐存在．请回答下列问题：
（1）硼元素是ⅢA族的第一个元素，原子结构示意图为，天然硼元素有两种稳定同位素¹⁰B、¹¹B，其相对原子质量分别为10和11，它们的相对丰度分别为20%和80%，硼元素的平均相对质量为10.8．
（2）硼酸（H₃BO₃）是一元弱酸，工业上用硼砂（Na₂B₄O₇•10H₂O）制备硼酸晶体的流程如图甲：
不同温度下硼酸的溶解度见下表：

温度/℃	0	20	40	60	80
溶解度/g	2.7	5.0	8.7	14.8	23.8

①写出硼砂溶液和稀硫酸反应的离子方程式5H₂O+B₄O₇^2-+2H⁺=4H₃BO₃．
②上述流程中获得粗硼酸晶体的操作Ⅰ为降温结晶（冷却热饱和溶液）、过滤，进一步将粗硼酸晶体提纯的方法是重结晶．
③25℃时0.1mol/L硼酸溶液的PH约为5.1，则其电离常数K约为10^-9.2．
（3）硼酸在加热过程中发生分解的失重曲线如图乙所示．
①硼酸从开始加热到107℃时，发生反应的化学方程式为H₃BO₃═HBO₂+H₂O．
②硼酸加热到160℃得到的固体的化学式为H₂B₄O₇．（B元素的相对原子质量按11计算）
（4）NaBH₄由于H元素显-1价，具有强还原性，是有机化学上的万能还原剂．在碱性条件下电解NaBO₂溶液可以制得NaBH₄，其反应方程式为NaBO₂+2H₂O=2O₂↑+NaBH₄，则阴极反应式为BO₂^-+6H₂O+8e-=BH₄^-+8OH^-．

Answer 1

分析 （1）硼的原子序数为5，最外层含有3个电子，据此画出其原子结构示意图；硼元素的平均相对质量=各元素的相对原子质量与相对丰度的乘积之和；
（2）①Na₂B₄O₇•10H₂O与稀硫酸反应生成H₃BO₃和硫酸钠，据此写出反应的离子方程式；
②根据硼酸的溶解度与温度的关系可知，降低温度可以降低硼酸的溶解度，据此判断操作Ⅰ；若进一步提纯硼酸，可进行重结晶；
③25℃时0.1mol/L硼酸溶液的pH约为5.1，则氢离子浓度为：c（H⁺）=10^-5.1mol/L，c（H₂BO₃^-）≈c（H⁺）=10^-5.1mol/L，由于硼酸的电离程度较小，则0.1mol/L硼酸溶液中未电离的硼酸浓度约为0.1mol/L，结合电离平衡常数的表达式计算出硼酸的电离平衡常数；
（3）①加热硼酸的过程中，固体减少部分为水的质量，根据质量变化及硼酸的物质的量计算出1分子硼酸分解生成水的物质的量，然后写出反应方程式；
②固体减少的质量为水的质量，根据质量守恒定律判断反应后固体的化学式；
（4）电解池中阳极发生氧化反应、阴极发生还原反应，结合总反应方程式及化合价变化写出阴极电解反应式．

解答 解：（1）硼的核电荷数=核外电子总数=5，其原子结构示意图为：；天然硼元素有两种稳定同位素¹⁰B、¹¹B，其相对原子质量分别为10和11，它们的相对丰度分别为20%和80%，则硼元素的平均相对质量为：10×20%+11×80%=10.8，
故答案为：； 10.8；
（2）①硼砂溶液中溶质为Na₂B₄O₇•10H₂O，与稀硫酸反应生成H₃BO₃和硫酸钠，反应的离子方程式为：5H₂O+B₄O₇^2-+2H⁺=4H₃BO₃，
故答案为：5H₂O+B₄O₇^2-+2H⁺=4H₃BO₃； 
②根据表中硼酸的溶解度可知，硼酸受温度的影响较大，可以通过降低温度的方法分离出硼酸，则上述流程中获得粗硼酸晶体的操作Ⅰ为降温结晶（冷却热饱和溶液）、过滤，若进一步将粗硼酸晶体提纯，可以通过重结晶的方法完成，
故答案为：降温结晶（冷却热饱和溶液）；重结晶；
③25℃时0.1mol/L硼酸溶液的pH约为5.1，则该溶液中氢离子浓度为：c（H⁺）=10^-5.1mol/L，c（H₂BO₃^-）≈c（H⁺）=10^-5.1mol/L，由于硼酸的电离程度较小，则0.1mol/L硼酸溶液中未电离的硼酸浓度约为0.1mol/L，所以硼酸的电离平衡常数为：K=$\frac{1{0}^{-5.1}×1{0}^{-5.1}}{0.1}$=10^-9.2，
故答案为：10^-9.2；
（3）①2.48g硼酸的物质的量为：$\frac{2.48g}{62g/mol}$=0.04mol，107℃时减少的固体质量为：2.48g-1.76g=0.72g，减少部分应该为水的质量，减少的水的物质的量为：$\frac{0.72g}{18g/mol}$=0.04mol，则1分子硼酸失去1分子水，所以该过程中反应的方程式为：H₃BO₃═HBO₂+H₂O，
故答案为：H₃BO₃═HBO₂+H₂O；
②剩余固体从107℃加热到160℃时，减少水的质量为：1.76g-1.58g=0.18g，其物质的量为：$\frac{0.18g}{18g/mol}$=0.01mol，0.04mol HBO₂中含有0.04molH、0.04molB和0.08molO，失去0.01mol水后得到的固体中含有：0.02molH、0.04molB和0.07molO，则H、B、O原子数之比为：2：4：7，则反应后固体的化学式为：H₂B₄O₇，
故答案为：H₂B₄O₇；
（4）总反应为NaBO₂+2H₂O=2O₂↑+NaBH₄，电解过程中阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，则阴极H₂O得到电子与BO₂^-结合生成BH₄^-和氢氧根离子，阴极的电极反应式为：BO₂^-+6H₂O+8e-=BH₄^-+8OH^-，
故答案为：BO₂^-+6H₂O+8e-=BH₄^-+8OH^-．

点评 本题考查了制备实验方案的设计，题目难度较大，涉及原子结构与元素周期表的应用、物质制备方案的设计、电解原理及其应用、电离平衡常数的计算等知识，试题知识点较多、综合性较强，充分考查了学生灵活应用基础知识的能力，注意掌握物质制备方案的设计与评价方法，（3）为难点，明确固体减少部分为水的质量为解答关键．