安徽 湯 偉（特級(jí)教師）

硼元素及其化合物知識(shí)整合與遷移

安徽 湯 偉（特級(jí)教師）

高考試題、競(jìng)賽試題及自主招生命題中都特別注重能力測(cè)試，其中知識(shí)遷移能力是歷年來(lái)高考考查的熱點(diǎn)，試題常常借助一個(gè)陌生的情景，考查我們能否借助課本所學(xué)知識(shí)解答該看似陌生的問(wèn)題。下面我們以硼元素為例，談?wù)勚袑W(xué)階段如何借助知識(shí)遷移了解或理解硼元素的相關(guān)知識(shí)要點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)例題分析，探究如何有效借助知識(shí)遷移，解答“硼元素及其相關(guān)的化合物”問(wèn)題。

1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的考查

硼位于周期表中第2周期ⅢA族，與大家熟識(shí)的鋁元素類似，最外層有3個(gè)電子，但與鋁不同之處是，B元素屬于非金屬元素，與C元素相鄰，與之相似，B元素一般更加容易形成共價(jià)化合物，但是B元素的化合物與C元素化合物不同，一般B是典型的缺電子原子，容易形成配位鍵，B的基態(tài)原子電子排布式為2 s22 p1，B原子常采用s p2雜化，如B C l3、B F3、B O3－3，微粒空間構(gòu)型為平面三角形，若采用s p3雜化，如B F－4、B H－4，空間構(gòu)型為正四面體形。另外，針對(duì)其相關(guān)的晶體結(jié)構(gòu)，也是歷年高考的熱點(diǎn)話題。

例題1：正硼酸（H3B O3）是一種層狀結(jié)構(gòu)白色晶體，層內(nèi)的H3B O3分子通過(guò)氫鍵相連（如圖）。下列有關(guān)說(shuō)法正確的是（ ）

A.正硼酸晶體屬于原子晶體

B.H3B O3分子的穩(wěn)定性與氫鍵有關(guān)

C.分子中硼原子最外層為8 e－穩(wěn)定結(jié)構(gòu)

D.含1m o l H3B O3的晶體中有3m o l氫鍵

解析：正硼酸晶體中存在H3B O3分子，且該晶體中存在氫鍵，說(shuō)明該晶體是分子晶體，原子晶體內(nèi)只有共價(jià)鍵，不會(huì)存在氫鍵，A錯(cuò)誤；分子的穩(wěn)定性與分子內(nèi)部的化學(xué)鍵強(qiáng)弱有關(guān)，物質(zhì)的熔沸點(diǎn)高低才與氫鍵有關(guān)，B錯(cuò)誤；分子中B原子只有6個(gè)電子，C錯(cuò)誤；從圖示上看，1個(gè)硼酸分子形成了6個(gè)氫鍵，但每個(gè)氫鍵是2個(gè)硼酸分子共用的，所以平均含3個(gè)氫鍵，則含有1m o l H3B O3的晶體中有3m o l氫鍵，D正確，答案：D。

例題2：硼酸是硼的氫氧化物，已知其結(jié)構(gòu)為平面三角形結(jié)構(gòu)。

（1）畫(huà)出硼酸的結(jié)構(gòu)式：___________________________。

（2）硼酸為無(wú)色晶體，可溶于水，水溶液顯弱酸性。已知硼酸本身不能電離出H＋，它的電離必須有H2O參加，電離后形成正四面體形的硼酸根離子，試寫(xiě)出硼酸電離的方程式_____________________（以結(jié)構(gòu)式表示）。

例題3：氮化硼（B N）晶體有多種相結(jié)構(gòu)。六方相氮化硼是通常存在的穩(wěn)定相，與石墨相似，具有層狀結(jié)構(gòu)，可作高溫潤(rùn)滑劑。立方相氮化硼是超硬材料，有優(yōu)異的耐磨性。它們的晶體結(jié)構(gòu)如圖所示。

（1）基態(tài)硼原子的電子排布式為_(kāi)___________________。

（2）關(guān)于這兩種晶體的說(shuō)法，正確的是___________（填序號(hào)）。

a.立方相氮化硼含有σ鍵和π鍵，所以硬度大

b.六方相氮化硼層間作用力小，所以質(zhì)地軟

c.兩種晶體中的B—N鍵均為共價(jià)鍵

d.兩種晶體均為分子晶體

（3）六方相氮化硼晶體層內(nèi)一個(gè)硼原子與相鄰氮原子構(gòu)成的空間構(gòu)型為_(kāi)_______，其結(jié)構(gòu)與石墨相似卻不導(dǎo)電，原因是______________________________________________。

（4）立方相氮化硼晶體中，硼原子的雜化軌道類型為_(kāi)_______。該晶體的天然礦物在青藏高原地下約3 0 0k m的古地殼中被發(fā)現(xiàn).根據(jù)這一個(gè)礦物形成事實(shí)，推斷實(shí)驗(yàn)室由六方相氮化硼合成立方相氮化硼需要的條件應(yīng)是_______ _________________________________。

（5）NH4B F4（氟硼酸銨）是合成氮化硼納米管的原料之一。1m o l NH4B F4含有________m o l配位鍵。

【思路分析】B位于第2周期ⅢA族，核外電子排布式1 s22 s22 p1，形成的六方相氮化硼，每一個(gè)B與3個(gè)N原子相連，每1個(gè)N原子與3個(gè)B原子相連，形平面三角形，向空間發(fā)展成層狀結(jié)構(gòu)。六方相氮化硼，不含π鍵，只含σ鍵，層與層之間通過(guò)范德華力結(jié)合在一起；B原子的電子全部成鍵，能源自由移動(dòng)的電子，不導(dǎo)電。立方相氮化硼每個(gè)B原子與4個(gè)N原子相連，每個(gè)N與2個(gè)B原子相連，構(gòu)成正四面體，向空間發(fā)展形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。B原子的雜化方式為s p3，由于六方相氮化硼比立方相氮化硼穩(wěn)定，所以由六方相氮化硼合成立方相氮化硼需要的條件應(yīng)是高溫高壓。根據(jù)配位鍵理論，NH4B F4有1個(gè)N—H和一個(gè)B—F屬于配位鍵。

解析：（1）基態(tài)B原子核外有5個(gè)電子，分別位于1 s、2 s、2 p能級(jí)，根據(jù)構(gòu)造原理容易得出基態(tài)B原子的電子排布式1 s22 s22 p1。（2）立方相氮化硼N原子和B原子之間存在共價(jià)單鍵，所以該化合物中含有σ鍵不存在π鍵，故a說(shuō)法錯(cuò)誤；六方相氮化硼與石墨相似，層間為分子間作用力，微粒間作用力較小，導(dǎo)致其質(zhì)地軟，故b正確；N原子和B原子兩種非金屬元素之間易形成共價(jià)鍵，故c正確；立方相氮化硼為空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，類似金剛石結(jié)構(gòu)，不存在分子，為原子晶體，故d錯(cuò)誤；答案為b c。（3）六方相氮化硼晶體層內(nèi)一個(gè)硼原子與相鄰氮原子形成3個(gè)共價(jià)單鍵，且B原子不存在孤電子對(duì)，所以構(gòu)成的空間構(gòu)型為平面三角形，該物質(zhì)的層狀結(jié)構(gòu)中不存在自由移動(dòng)的電子，所以不導(dǎo)電。答案為平面三角形；層狀結(jié)構(gòu)中沒(méi)有自由移動(dòng)的電子。（4）立方相氮化硼晶體中，硼原子和四個(gè)N原子形成4個(gè)共價(jià)單鍵，所以B原子的雜化軌道類型為s p3，在地殼內(nèi)部，離地面越深，其壓強(qiáng)越大、溫度越高，根據(jù)題干知，實(shí)驗(yàn)室由六方相氮化硼合成立方相氮化硼需要的條件應(yīng)是高溫高壓。（5）根據(jù)配位鍵理論，NH4B F4有1個(gè)N—H和一個(gè)B—F屬于配位鍵。即1m o l NH4B F4含有2m o l配位鍵。

2.相關(guān)性質(zhì)的考查

硼及其化合物相關(guān)的性質(zhì)我們?cè)诮滩闹袥](méi)有學(xué)習(xí)過(guò)，但是我們可以借助知識(shí)遷移，根據(jù)周期表中同一周期左、右關(guān)系，同一主族上、下關(guān)系及對(duì)角線規(guī)則，可以推理出硼及其化合物的相關(guān)性質(zhì)。

硼B(yǎng)元素在自然界中主要以黃晶C a O·B2O3·2 S i O2、硼砂N a2B4O7·5 H2O、方硼石2M g3B8O15·M g C l2等形式存在。

硼的工業(yè)冶煉：硼鎂礦→單質(zhì)硼→精制硼，其具體生成過(guò)程中涉及的反應(yīng)一般為：

②與非金屬反應(yīng)：可以生成B C l3、B B r3、B2S3、B N，但不與H2反應(yīng)；

硼酸是一元弱酸，其電離不是自身電離出H＋，而是因?yàn)镻原子缺電子，與H2O結(jié)合反應(yīng)，生成四羥基硼酸根離子和氫離子，硼酸加熱可以脫水生成偏硼酸HB O2，最終生成硼酸酸酐B2O3，硼酸酸酐與水結(jié)合生成硼酸，硼酸酸酐可以作為吸水劑。

硼酸鹽一般有如下幾種：

例題4：硼酸（H3B O3）分子的中心原子B最外層電子并未達(dá)到飽和，它在水中結(jié)合水分子電離出來(lái)的OH－使B原子最外層電子達(dá)到飽和，電離過(guò)程如下圖所示：

下列表述正確的是（ ）

A.硼酸加入水中抑制水的電離

B.硼酸是三元酸

C.硼酸與強(qiáng)堿在溶液中反應(yīng)：H3B O3＋OH－→［B（OH）4］－

D.硼酸是兩性化合物

例題5：硼是第ⅢA族的元素，自然界中有許多硼化合物，如：

_____硼鎂礦_____ ________硼砂硼酸偏硼酸鈉M g2B2O5·H2O N a2B4O7·1 0 H2O H3B O3______N a B O2___

請(qǐng)回答下列問(wèn)題：

（1）上述所列硼化合物中，硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的是____ _____________。

（3）上述所得的粗硼與M g O混在一起，難以分離，工業(yè)上往往將粗硼與I2作用形成B I3（沸點(diǎn)2 1 0℃）然后與M g O分離，分離的方法是__________________；最后在1 0 0 0℃左右，通過(guò)B I3熱分解而得到高純度B。

（4）硼酸是一種一元弱酸，它與水作用時(shí)結(jié)合水電離的OH－而釋放出水電離的H＋，寫(xiě)出這一變化的化學(xué)方程式：_________________。皮膚上不小心碰到氫氧化鈉溶液，一般先用大量水沖洗，然后再涂上硼酸溶液，寫(xiě)出硼酸與氫氧化鈉反應(yīng)的離子方程式：___________。

例題6：（2 0 1 5全國(guó)新課標(biāo)Ⅰ卷）硼及其化合物在工業(yè)上有許多用途。以鐵硼礦（主要成分為M g2B2O5·H2O和Fe3O4，還有少量Fe2O3、Fe O、C a O、A l2O3和S i O2等）為原料制備硼酸（H3B O3）的工藝流程如圖所示：

回答下列問(wèn)題：

（1）寫(xiě)出M g2B2O5·H2O與硫酸反應(yīng)的化學(xué)方程式：_____________。為提高浸出速率，除適當(dāng)增加硫酸濃度濃度外，還可采取的措施有__________________________（寫(xiě)出兩條）。

（2）利用_________的磁性，可將其從“浸渣”中分離?！敖敝羞€剩余的物質(zhì)是________（化學(xué)式）。

（3）“凈化除雜”需先加H2O2溶液，作用是__________ ______。然后在調(diào)節(jié)溶液的pH約為5，目的是___________ ______________________________________________________。

（4）“粗硼酸”中的主要雜質(zhì)是________（填名稱）。

（5）以硼酸為原料可制得硼氫化鈉（N a B H4），它是有機(jī)合成中的重要還原劑，其電子式為_(kāi)_______。

（6）單質(zhì)硼可用于生成具有優(yōu)良抗沖擊性能硼鋼。以硼酸和金屬鎂為原料可制備單質(zhì)硼，用化學(xué)方程式表示制備過(guò)程：_____________________________________________。

（2）Fe3O4S i O2

（3）氧化溶液中的Fe2＋除去溶液中的A l3＋和Fe3＋

（4）硫酸鈣

（作者單位：安徽省靈璧中學(xué)）