问题 问答题

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______、______;

(2)基态B原子的电子排布式为______;B和N相比,电负性较大的是______,BN中B元素的化合价为______;

(3)在BF3分子中,F-B-F的键角是______,B原子的杂化轨道类型为______,BF3和过量NaF作用可生成NaBF4,BF4-的立体结构为______;

(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______,层间作用力为______;

(5)六方氮化硼在高温高压下,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______个氮原子、______个硼原子,立方氮化硼的密度是______g•pm-3(只要求列算式,不必计算出数值,阿伏伽德罗常数为NA).

答案

(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

.
2BF3↑+3CaSO4+3H2O;B2O3与氨气在高温下反应即生成BN,方程式为

B2O3+2NH3

高温
.
2BN+3H2O;故答案为:B2O3+3CaF2+3H2SO4
.
2BF3↑+3CaSO4+3H2O;B2O3+2NH3
高温
.
2BN+3H2O;

(2)基态B原子的电子排布式为1s22s2sp1;B与N均位于第二周期,电负性从左向右依次递减,所以N的电负性大于B;BN中B元素的化合价为+3.故答案为:1s22s2sp1;N;+3;

(3)依据价层电子对互斥理论,计算出BF3的孤对电子对数=

1
2
×(a-xb)=
1
2
×(4-4×1)=0,并且价层电子对数为3,所以BF3分子为平面正三角形结构,键角为120°,杂化方式为sp2;BF4-中心原子的孤对电子对数=
1
2
×(a-xb)=
1
2
×(4-4×1)=0,其价层电子对数为4,所以其结构为正四面体.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)根据金刚石的结构可以判断出金刚石的一个晶胞中含有的碳原子数=8×

1
8
+6×
1
2
+4=8,因此一个立方氮化硼晶胞中含有4个N原子和4个B原子.一个晶胞中的质量为
25g
NA
×4
,一个立方氮化硼晶胞的体积是(361.5pm)3,因此立方氮化硼的密度是
25×4
(361.5×10-10)3NA
g•pm-3.故答案为:
25×4
(361.5×10-101×)3NA

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