Question

2．氮化硼（BN）是一種重要的功能陶瓷材料．以天然硼砂（主要成分Na₂B₄O₇）為起始物，經過一系列反應可以得到BN和有機合成催化劑BF₃的過程如下．請根據題意回答下列問題：
（1）寫出由B₂O₃制備BF₃的化學方程式B₂O₃+3CaF₂+3H₂SO₄=2BF₃↑+3CaSO₄+3H₂O，BF₃中B原子的雜化軌道類型為sp²，BF₃分子空間構型為平面正三角形．
（2）在硼、氧、氟、氮中第一電離能由大到小的順序是（用元素符號表示）F＞N＞O＞B．
（3）已知：硼酸的電離方程式為H₃BO₃+H₂O?[B（OH）₄]^-+H⁺，試依據上述反應寫出[B（OH）₄]^-的結構式，并推測1molNH₄BF₄（氟硼酸銨）中含有2N_A個配位鍵．
（4）由12個硼原子構成如圖1的結構單元，硼晶體的熔點為1873℃，則硼晶體的1個結構單元中含有30個B-B鍵．

（5）氮化硼（BN）晶體有多種相結構．六方相氮化硼（晶體結構如圖2）是通常存在的穩定相，可作高溫潤滑劑．立方相氮化硼（晶體結構如圖3）是超硬材料，有優異的耐磨性．
①關于這兩種晶體的說法，不正確的是ad（填字母）．
a．兩種晶體均為分子晶體
b．兩種晶體中的B-N鍵均為共價鍵
c．六方相氮化硼層間作用力小，所以質地軟
d．立方相氮化硼含有σ鍵和π鍵，所以硬度大
②六方相氮化硼晶體內B-N鍵數與硼原子數之比為3：1，其結構與石墨相似卻不導電，原因是立方氮化硼晶體內無自由移動的電子．
③立方相氮化硼晶體中，每個硼原子連接12個六元環．該晶體的天然礦物在青藏高原地下約300km的古地殼中被發現．根據這一礦物形成事實，推斷實驗室由六方相氮化硼合成立方相氮化硼需要的條件應是高溫、高壓．

Answer 1

分析 （1）由圖及元素守恒可寫出由B₂O₃制備BF₃的方程式；根據價層電子對互斥理論確定構型和雜化方式；
（2）同一周期元素，元素的第一電離能隨著原子序數增大而增大，但第IIA族、第VA族元素第一電離能大于其相鄰元素，據此判斷第一電離能大小順序；
（3）在[Al（OH）₄]^-中Al采取sp³雜化，用最外層的四個空軌道接受O提供的孤對電子形成配合物，一個NH₄BF₄中N原子和其中一個H原子之間存在配位鍵、B原子和其中一個F原子之間存在一個配位鍵，所以含有2個配位鍵，據此計算；
（4）在硼原子組成的正二十面體結構中，每5個面共用一個頂點，每個等邊三角形擁有的頂點為：$\frac{1}{5}$×3=$\frac{3}{5}$，20個等邊三角形擁有的頂點為：$\frac{3}{5}$×20=12，每2個面共用一個B-B鍵；
（5）①a．由圖可知立方相氮化硼是立體網狀結構，為原子晶體；
b．非金屬元素之間易形成共價鍵；
c．六方相氮化硼為層狀結構，層間為分子間作用力，作用力小；
d．立方相氮化硼含有σ鍵不存在π鍵；
②六方相氮化硼晶體層內一個硼原子與相鄰氮原子形成3個共價單鍵，該物質的層狀結構中不存在自由移動的電子；
③氮化硼與碳元素的單質相似，結合金剛石的結構進行判斷，立方相氮化硼晶體中，每個硼原子連接12個六元環，在地殼內部，離地面越深，其壓強越大、溫度越高．

解答 解：（1）B₂O₃與CaF₂和H₂SO₄反應即生成BF₃，同時還應該產生硫酸鈣和水，方程式為：B₂O₃+3CaF₂+3H₂SO₄=2BF₃↑+3CaSO₄+3H₂O，BF₃分子的中心原子B原子上含有3個σ 鍵，中心原子上的孤電子對數=$\frac{1}{2}$（a-xb）=$\frac{1}{2}$（0-3×1）=0，中心原子B原子的價層電子對數為3，屬于sp²雜化，中心原子上沒有孤對電子，所以其空間構型就是平面三角形，鍵角是120°，BF₃分子為平面三角形，
故答案為：B₂O₃+3CaF₂+3H₂SO₄=2BF₃↑+3CaSO₄+3H₂O；sp²；平面正三角形；
（2）同一周期元素，元素的第一電離能隨著原子序數增大而增大，但第IIA族、第VA族元素第一電離能大于其相鄰元素，B、N、O、F元素處于同一周期且原子序數逐漸增大，N處于第VA族，所以第一電離能N＞O，B的第一電離能最小，第一電離能由大到小的順序是：F＞N＞O＞B，
故答案為：F＞N＞O＞B；
（3）在[Al（OH）₄]^-中Al采取sp³雜化，用最外層的四個空軌道接受O提供的孤對電子形成配合物，其結構式為，一個NH₄BF₄中N原子和其中一個H原子之間存在配位鍵、B原子和其中一個F原子之間存在一個配位鍵，所以含有2個配位鍵，則1mol NH₄BF₄含有2mol配位鍵，即2N_A個配位鍵，
故答案為：；2N_A；
（4）在硼原子組成的正二十面體結構中，每5個面共用一個頂點，每個面擁有這個頂點的：$\frac{1}{5}$×3=$\frac{3}{5}$，20個等邊三角形擁有的頂點為：$\frac{3}{5}$×20=12，每2個面共用一個B-B鍵，每個面擁有這個B-B鍵的$\frac{1}{2}$，每個等邊三角形占有的B-B鍵為：$\frac{1}{2}$×3=$\frac{3}{2}$，20個等邊三角形擁有的B-B鍵為：$\frac{3}{2}$×20=30，
故答案為：30；
（5）①（2）a．立方相氮化硼為空間網狀結構，不存在分子，為原子晶體，故a錯誤；
b．非金屬元素之間易形成共價鍵，所以N原子和B原子之間存在共價鍵，故b正確；
c．六方相氮化硼層間為層狀結構，分子間作用力，作用力小，導致其質地軟，故c正確；
d．立方相氮化硼N原子和B原子之間存在共價單鍵，所以該化合物中含有σ鍵不存在π鍵，故d錯誤；
故選ad；  
②六方相氮化硼晶體層內一個硼原子與相鄰氮原子形成3個共價單鍵，六方相氮化硼晶體內B-N鍵數與硼原子數之比為3：1，該物質的層狀結構中不存在自由移動的電子，所以不導電，
故答案為：3：1；立方氮化硼晶體內無自由移動的電子；
③氮化硼與金剛石的結構相似，立方相氮化硼晶體中，每個硼原子連接12個六元環，在地殼內部，離地面越深，其壓強越大、溫度越高，根據題干知，實驗室由六方相氮化硼合成立方相氮化硼需要的條件應是高溫高壓，
故答案為：12；高溫、高壓．

點評 本題考查了物質結構和性質，涉及第一電離能、原子的雜化方式、晶體的計算等知識點，側重于學生的分析能力和計算能力的考查，這些知識點都是高考熱點，注意價層電子對互斥理論確定原子雜化方式及分子空間構型、晶胞的計算，題目難度中等．