Question

18．氧化硼（BN）是一種重要的功能陶瓷材料．以天然硼砂為起始物，經過一系列反應可以得到BF₃氣體和BN，如圖1所示：

請回答下列問題：
（1）基態B原子的電子排布式為1s²2s²2p¹；基態N原子價電子排布圖為
（2）在BF₃分子中，鍵角是120°，B原子的雜化軌道類型為sp²雜化，BF₃和過量NaF作用可生成NaBF₄，BF₄的立體構型為正四面體
（3）由B₂O₃制備BF₃的化學方程式是B₂O₃+3CaF₂+3H₂SO₄ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2BF₃↑+3CaSO₄+3H₂O
（4）六方氮化硼晶體與石墨晶體結構相似，該晶體層間相互作用力為范德華力
六方氮化硼在高溫高壓下，可以轉化為立方氮化硼，其結構與金剛石相似（如圖2所示），硬度與金剛石相當，已知立方氮化硼的晶胞邊長為361.5pm，則立方氮化硼的密度是$\frac{25×4}{（361.5×10{\;}^{-10}）{\;}^{3}{N}_{A}}$g•cm^-3=3.52g•cm^-3（列式并計算．阿伏加德羅常數為N_A）．

Answer 1

分析 （1）硼原子核外電子數目為5，根據核外電子排布規律書寫電子排布式；氮的價電子數為5，據此畫價電子排布圖；
（2）價層電子對互斥理論認為：分子的立體構型是“價層電子對”相互排斥的結果，先判斷價層電子對數，再確定構型和雜化方式；價層電子對互斥理論判斷其σ電子對和孤電子對數目；
（3）由圖及元素守恒可寫出由B₂O₃制備BF₃的方程式；
（4）根據其結構與石墨相似，層與層之間應該靠分子間作用力結合；金剛石晶胞是立方體，其中8個頂點有8個碳原子，6個面各有6個碳原子，立方體內部還有4個碳原子，所以金剛石的一個晶胞中含有的碳原子數=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$+4=8，因此立方氮化硼晶胞中應該含有4個N和4個B原子．一個晶胞中的質量為 $\frac{25g}{{N}_{A}}$，一個立方氮化硼晶胞的體積是（361.5pm）³，根據$ρ=\frac{m}{V}$計算密度；因此立方氮化硼的密度是 $\frac{25×4}{（361.5×10{\;}^{-10}）{\;}^{3}{N}_{A}}$g•cm^-3．

解答 解：（1）硼原子核外電子數目為5，原子的電子排布式為1s²2s²2p¹，氮的價電子數為5，價電子排布圖為，
故答案為：1s²2s²2p¹；；
（2）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，所以BF₃分子的VSEPR模型是平面三角型，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分子的中心原子B原子的價層電子對數為3，屬于sp²雜化；BF₃和過量NaF作用可生成NaBF₄，BF₄^-中B原子的價層電子對為4，該離子中不含孤電子對，為正四面體結構，
故答案為：120°；sp²雜化；正四面體；
（3）由圖可知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 $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2BF₃↑+3CaSO₄+3H₂O，
故答案為：B₂O₃+3CaF₂+3H₂SO₄ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2BF₃↑+3CaSO₄+3H₂O；
（4）在與石墨結構相似的六方氮化硼晶體中，層內B原子與N原子之間的化學鍵為共價鍵，層間作用力為范德華力，根據金剛石的結構可以判斷出金剛石的一個晶胞中含有的碳原子數=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$+4=8，因此立方氮化硼晶胞中應該含有4個N和4個B原子．一個晶胞中的質量為 $\frac{25g}{{N}_{A}}$，一個立方氮化硼晶胞的體積是（361.5pm）³，因此立方氮化硼的密度是 $\frac{25×4}{（361.5×10{\;}^{-10}）{\;}^{3}{N}_{A}}$g•cm^-3=3.52g•cm^-3，
故答案為：范德華力； $\frac{25×4}{（361.5×10{\;}^{-10}）{\;}^{3}{N}_{A}}$g•cm^-3；3.52．

點評 本題考查較為全面，涉及到化學方程式的書寫、分子空間構型、雜化類型的判斷以及有關晶體的計算，但解題具有較強的方法性和規律性，學習中注意總結如何書寫電子排布式，如何判斷分子空間構型以及有關晶體計算等方法．