Question

4．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\;}}{\;}$2BN+3H₂O；
（2）基态B原子的电子排布式为1s²2s²2p¹；B和N相比，电负性较大的是N，BN中B元素的化合价为+3；
（3）在BF₃分子中，F-B-F的建角是120°，B原子的杂化轨道类型为sp²，BF₃和过量NaF作用可生成NaBF₄，BF₄^-的立体结构为正四面体；
（4）在与石墨结构相似的六方氮化硼晶体中，层内B原子与N原子之间的化学键为共价键（或极性共价键），层间作用力为分子间作用力；
（5）六方氢化硼在高温高压下，可以转化为立方氮化硼，其结构与金刚石相似，硬度与金刚石相当，晶胞边长为361.5pm，立方氮化硼晶胞中含有4个氮原子、4个硼原子，立方氮化硼的密度是$\frac{25×4}{（361.5×1{0}^{-10}）^{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，结合原子个数守恒写出方程式；
（2）基态B原子核外有5个电子，根据核外电子排布规律书写电子排布式；依据同周期从左到右电负性依次增强，判断电负性强弱；B第ⅢA族元素，为+3价；
（3）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；
（4）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．
（5）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：所根据晶胞的结构，利用均摊法可知金刚石晶胞中含有碳原子数为4+6×$\frac{1}{2}$+8×$\frac{1}{8}$=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\;}}{\;}$2BN+3H₂O；
（2）硼原子核外电子数目为5，原子的电子排布式为1s²2s²2p¹；同周期从左到右电负性依次增强，所以电负性N＞B；B第ⅢA族元素，为+3价；
故答案为：1s²2s²2p¹；N；+3；
（3）BF₃分子的中心原子B原子上含有3个σ 键，中心原子上的孤电子对数=$\frac{1}{2}$（a-xb）=$\frac{1}{2}$（0-3×1）=0，所以BF₃分子的VSEPR模型是平面三角型，中心原子上没有孤对电子，所以其空间构型就是平面三角形，键角是120°，BF₃分子的中心原子B原子的价层电子对数为；3，属于sp²杂化；BF₃和过量NaF作用可生成NaBF₄，BF₄^-中B原子的价层电子对=4+$\frac{1}{2}$（3+1-4）=4，该离子中不含孤电子对，为正四面体结构．
故答案为：120°；sp²；正四面体．
（4）B、N均属于非金属元素，二者形成的化学键是极性共价键；根据石墨结构可知六方氮化硼晶体中，层与层之间靠分子间作用力结合，
故答案为：共价键（或极性共价键）；分子间作用力；
（5）金刚石晶胞是立方体，晶胞的结构如图所示：其中8个顶点有8个碳原子，6个面各有6个碳原子，立方体内部还有4个碳原子，利用均摊法可知金刚石晶胞中含有碳原子数为4+6×$\frac{1}{2}$+8×$\frac{1}{8}$=8，因此立方氮化硼晶胞中应该含有4个N和4个B原子，一个晶胞中的质量为$\frac{25g}{{N}_{A}}$，ρ=$\frac{m}{V}$=$\frac{25×4}{（361.5×1{0}^{-10}）^{3}×{N}_{A}}$g/cm³，
故答案为：4；4； $\frac{25×4}{（361.5×1{0}^{-10}）^{3}×{N}_{A}}$．

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．