硼元素及其化合物知识整合与迁移

安徽 汤 伟（特级教师）

硼元素及其化合物知识整合与迁移

安徽 汤 伟（特级教师）

高考试题、竞赛试题及自主招生命题中都特别注重能力测试，其中知识迁移能力是历年来高考考查的热点，试题常常借助一个陌生的情景，考查我们能否借助课本所学知识解答该看似陌生的问题。下面我们以硼元素为例，谈谈中学阶段如何借助知识迁移了解或理解硼元素的相关知识要点，并在此基础上通过例题分析，探究如何有效借助知识迁移，解答“硼元素及其相关的化合物”问题。

1.结构特点的考查

硼位于周期表中第2周期ⅢA族，与大家熟识的铝元素类似，最外层有3个电子，但与铝不同之处是，B元素属于非金属元素，与C元素相邻，与之相似，B元素一般更加容易形成共价化合物，但是B元素的化合物与C元素化合物不同，一般B是典型的缺电子原子，容易形成配位键，B的基态原子电子排布式为2 s22 p1，B原子常采用s p2杂化，如B C l3、B F3、B O3－3，微粒空间构型为平面三角形，若采用s p3杂化，如B F－4、B H－4，空间构型为正四面体形。另外，针对其相关的晶体结构，也是历年高考的热点话题。

例题1：正硼酸（H3B O3）是一种层状结构白色晶体，层内的H3B O3分子通过氢键相连（如图）。下列有关说法正确的是（ ）

A.正硼酸晶体属于原子晶体

B.H3B O3分子的稳定性与氢键有关

C.分子中硼原子最外层为8 e－稳定结构

D.含1m o l H3B O3的晶体中有3m o l氢键

解析：正硼酸晶体中存在H3B O3分子，且该晶体中存在氢键，说明该晶体是分子晶体，原子晶体内只有共价键，不会存在氢键，A错误；分子的稳定性与分子内部的化学键强弱有关，物质的熔沸点高低才与氢键有关，B错误；分子中B原子只有6个电子，C错误；从图示上看，1个硼酸分子形成了6个氢键，但每个氢键是2个硼酸分子共用的，所以平均含3个氢键，则含有1m o l H3B O3的晶体中有3m o l氢键，D正确，答案：D。

例题2：硼酸是硼的氢氧化物，已知其结构为平面三角形结构。

（1）画出硼酸的结构式：___________________________。

（2）硼酸为无色晶体，可溶于水，水溶液显弱酸性。已知硼酸本身不能电离出H＋，它的电离必须有H2O参加，电离后形成正四面体形的硼酸根离子，试写出硼酸电离的方程式_____________________（以结构式表示）。

例题3：氮化硼（B N）晶体有多种相结构。六方相氮化硼是通常存在的稳定相，与石墨相似，具有层状结构，可作高温润滑剂。立方相氮化硼是超硬材料，有优异的耐磨性。它们的晶体结构如图所示。

（1）基态硼原子的电子排布式为____________________。

（2）关于这两种晶体的说法，正确的是___________（填序号）。

a.立方相氮化硼含有σ键和π键，所以硬度大

b.六方相氮化硼层间作用力小，所以质地软

c.两种晶体中的B—N键均为共价键

d.两种晶体均为分子晶体

（3）六方相氮化硼晶体层内一个硼原子与相邻氮原子构成的空间构型为________，其结构与石墨相似却不导电，原因是______________________________________________。

（4）立方相氮化硼晶体中，硼原子的杂化轨道类型为________。该晶体的天然矿物在青藏高原地下约3 0 0k m的古地壳中被发现.根据这一个矿物形成事实，推断实验室由六方相氮化硼合成立方相氮化硼需要的条件应是_______ _________________________________。

（5）NH4B F4（氟硼酸铵）是合成氮化硼纳米管的原料之一。1m o l NH4B F4含有________m o l配位键。

【思路分析】B位于第2周期ⅢA族，核外电子排布式1 s22 s22 p1，形成的六方相氮化硼，每一个B与3个N原子相连，每1个N原子与3个B原子相连，形平面三角形，向空间发展成层状结构。六方相氮化硼，不含π键，只含σ键，层与层之间通过范德华力结合在一起；B原子的电子全部成键，能源自由移动的电子，不导电。立方相氮化硼每个B原子与4个N原子相连，每个N与2个B原子相连，构成正四面体，向空间发展形成网状结构。B原子的杂化方式为s p3，由于六方相氮化硼比立方相氮化硼稳定，所以由六方相氮化硼合成立方相氮化硼需要的条件应是高温高压。根据配位键理论，NH4B F4有1个N—H和一个B—F属于配位键。

解析：（1）基态B原子核外有5个电子，分别位于1 s、2 s、2 p能级，根据构造原理容易得出基态B原子的电子排布式1 s22 s22 p1。（2）立方相氮化硼N原子和B原子之间存在共价单键，所以该化合物中含有σ键不存在π键，故a说法错误；六方相氮化硼与石墨相似，层间为分子间作用力，微粒间作用力较小，导致其质地软，故b正确；N原子和B原子两种非金属元素之间易形成共价键，故c正确；立方相氮化硼为空间网状结构，类似金刚石结构，不存在分子，为原子晶体，故d错误；答案为b c。（3）六方相氮化硼晶体层内一个硼原子与相邻氮原子形成3个共价单键，且B原子不存在孤电子对，所以构成的空间构型为平面三角形，该物质的层状结构中不存在自由移动的电子，所以不导电。答案为平面三角形；层状结构中没有自由移动的电子。（4）立方相氮化硼晶体中，硼原子和四个N原子形成4个共价单键，所以B原子的杂化轨道类型为s p3，在地壳内部，离地面越深，其压强越大、温度越高，根据题干知，实验室由六方相氮化硼合成立方相氮化硼需要的条件应是高温高压。（5）根据配位键理论，NH4B F4有1个N—H和一个B—F属于配位键。即1m o l NH4B F4含有2m o l配位键。

2.相关性质的考查

硼及其化合物相关的性质我们在教材中没有学习过，但是我们可以借助知识迁移，根据周期表中同一周期左、右关系，同一主族上、下关系及对角线规则，可以推理出硼及其化合物的相关性质。

硼B元素在自然界中主要以黄晶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。

硼的工业冶炼：硼镁矿→单质硼→精制硼，其具体生成过程中涉及的反应一般为：

②与非金属反应：可以生成B C l3、B B r3、B2S3、B N，但不与H2反应；

硼酸是一元弱酸，其电离不是自身电离出H＋，而是因为P原子缺电子，与H2O结合反应，生成四羟基硼酸根离子和氢离子，硼酸加热可以脱水生成偏硼酸HB O2，最终生成硼酸酸酐B2O3，硼酸酸酐与水结合生成硼酸，硼酸酸酐可以作为吸水剂。

硼酸盐一般有如下几种：

例题4：硼酸（H3B O3）分子的中心原子B最外层电子并未达到饱和，它在水中结合水分子电离出来的OH－使B原子最外层电子达到饱和，电离过程如下图所示：

下列表述正确的是（ ）

A.硼酸加入水中抑制水的电离

B.硼酸是三元酸

C.硼酸与强碱在溶液中反应：H3B O3＋OH－→［B（OH）4］－

D.硼酸是两性化合物

例题5：硼是第ⅢA族的元素，自然界中有许多硼化合物，如：

_____硼镁矿_____ ________硼砂硼酸偏硼酸钠M g2B2O5·H2O N a2B4O7·1 0 H2O H3B O3______N a B O2___

请回答下列问题：

（1）上述所列硼化合物中，硼的质量分数最高的是____ _____________。

（3）上述所得的粗硼与M g O混在一起，难以分离，工业上往往将粗硼与I2作用形成B I3（沸点2 1 0℃）然后与M g O分离，分离的方法是__________________；最后在1 0 0 0℃左右，通过B I3热分解而得到高纯度B。

（4）硼酸是一种一元弱酸，它与水作用时结合水电离的OH－而释放出水电离的H＋，写出这一变化的化学方程式：_________________。皮肤上不小心碰到氢氧化钠溶液，一般先用大量水冲洗，然后再涂上硼酸溶液，写出硼酸与氢氧化钠反应的离子方程式：___________。

例题6：（2 0 1 5全国新课标Ⅰ卷）硼及其化合物在工业上有许多用途。以铁硼矿（主要成分为M g2B2O5·H2O和Fe3O4，还有少量Fe2O3、Fe O、C a O、A l2O3和S i O2等）为原料制备硼酸（H3B O3）的工艺流程如图所示：

回答下列问题：

（1）写出M g2B2O5·H2O与硫酸反应的化学方程式：_____________。为提高浸出速率，除适当增加硫酸浓度浓度外，还可采取的措施有__________________________（写出两条）。

（2）利用_________的磁性，可将其从“浸渣”中分离。“浸渣”中还剩余的物质是________（化学式）。

（3）“净化除杂”需先加H2O2溶液，作用是__________ ______。然后在调节溶液的pH约为5，目的是___________ ______________________________________________________。

（4）“粗硼酸”中的主要杂质是________（填名称）。

（5）以硼酸为原料可制得硼氢化钠（N a B H4），它是有机合成中的重要还原剂，其电子式为________。

（6）单质硼可用于生成具有优良抗冲击性能硼钢。以硼酸和金属镁为原料可制备单质硼，用化学方程式表示制备过程：_____________________________________________。

（2）Fe3O4S i O2

（3）氧化溶液中的Fe2＋除去溶液中的A l3＋和Fe3＋

（4）硫酸钙

（作者单位：安徽省灵璧中学）