Question

13．氮化硼（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和BN，如圖所示：
請回答下列問題：
（1）由B₂O₃制備BF₃、BN的化學方程式依次是B₂O₃+3CaF₂+3H₂SO₄ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2BF₃↑+3CaSO₄+3H₂O、B₂O₃+2NH₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2BN+3H₂O；
（2）在BF₃分子中，F-B-F的鍵角是120°，B原子的雜化軌道類型為sp²，BF₃和過量NaF作用可生成NaBF₄，BF₄^-的立體結構為正四面體；
（3）在與石墨結構相似的六方氮化硼晶體中，層內B原子與N原子之間的化學鍵為共價鍵（或極性共價鍵），層間作用力為分子間作用力；
（4）六方氮化硼在高溫高壓下，可以轉化為立方氮化硼，其結構與金剛石相似，硬度與金剛石相當，晶胞邊長為361.5pm，立方氮化硼晶胞中含有4個氮原子、4個硼原子，立方氮化硼的密度是$\frac{25×4}{（361.5）^{3}{N}_{A}}$g•cm^-3（只要求列算式，不必計算出數值，阿伏伽德羅常數為N_A）．

Answer 1

分析 （1）由圖及元素守恒可寫出這兩個反應的方程式；
（2）依據價層電子對互斥理論，計算出的孤對電子對數以及價層電子對數，可判斷出分子的空間構型；
（3）B、N均屬于非金屬元素，二者形成的化學鍵是極性共價鍵；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．
（4）描述晶體結構的基本單元叫做晶胞，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，如圖所示：所以金剛石的一個晶胞中含有的碳原子數=8×$\frac{1}{8\frac{（\;\;\;\;）}{（\;\;\;\;）}}$+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$\frac{25g}{N{\;}_{A}}$，根據$ρ=\frac{m}{V}$計算密度．

解答 解：（1）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{\;\;△\;\;}}{\;}$2BF₃↑+3CaSO₄+3H₂O；B₂O₃與氨氣在高溫下反應即生成BN，方程式為B₂O₃+2NH₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2BN+3H₂O；
故答案為：B₂O₃+3CaF₂+3H₂SO₄ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2BF₃↑+3CaSO₄+3H₂O；B₂O₃+2NH₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2BN+3H₂O；
（2）依據價層電子對互斥理論，計算出BF₃的孤對電子對數=$\frac{1}{2}$×（a-xb）=$\frac{1}{2}$×（3-3×1）=0，并且價層電子對數為3，所以BF₃分子為平面正三角形結構，鍵角為120°，雜化方式為sp²；BF₄^-中心原子的孤對電子對數=$\frac{1}{2}$×（a-xb）=$\frac{1}{2}$×（4-4×1）=0，其價層電子對數為4，所以其結構為正四面體，
故答案為：120°；sp²；正四面體；
（3）B、N均屬于非金屬元素，二者形成的化學鍵是極性共價鍵；根據石墨結構可知六方氮化硼晶體中，層與層之間靠分子間作用力結合，
故答案為：共價鍵（或極性共價鍵）；分子間作用力；
（4）根據金剛石的結構可以判斷出金剛石的一個晶胞中含有的碳原子數=8×$\frac{1}{8\frac{（\;\;\;\;）}{（\;\;\;\;）}}$+6×$\frac{1}{2}$+4=8，因此一個立方氮化硼晶胞中含有4個N原子和4個B原子，一個晶胞中的質量為$\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 $\frac{25×4}{（361.5）^{3}{N}_{A}}$g•pm^-3，
故答案為：4；4；$\frac{25×4}{（361.5）^{3}{N}_{A}}$•

點評 本題考查較為全面，涉及到化學方程式的書寫、電子排布式、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．