2023届高中化学人教版二轮专题复习第34讲-硼及其化合物（学案）

第34讲硼及其化合物学案知识重构硼与铝位于同一主族，虽然教材中没有专门对硼及硼酸的相关性质进行介绍，但近年高考中多次出现以硼酸为载体的试题，结合新情境、新信息考查元素及其化合物知识、氧化还原反应原理、化学平衡及其移动原理等相关知识，一般以工艺流程题、实验综合题等形式呈现，有效地考查学生获取信息、加工处理信息能力，知识迁移能力和应用能力，符合新课程倡导的“自主学习”和“探究学习”的理念。本讲对硼及硼酸的性质、制法做简单介绍，对典型高考真题进行了详细解析。呈现原型考查背景设问内容和方式2020全国Ⅲ卷物构性质：氨硼烷结构综合考查杂化类型、晶胞密度计算等2019全国Ⅰ卷工业流程：以硼镁矿为原料生产工硼酸及轻质氧化镁组织分离与提纯、离子方程式书写等2015全国Ⅰ卷工业流程：以铁硼矿为原料制取硼酸操作目的、化学方程式书写等2014福建卷物构性质：氮化硼等晶体结构电子排布、空间结构、配位键等2011全国卷物构性质：硼砂晶体结构杂化类型、配位键、化学键判断等2010广东卷反应原理：硼酸(H3BO3)溶液中的电离平衡等温度对转化率的影响、计算平衡常数K等1．硼硼单质有晶体硼和无定形硼两种，晶体硼相当稳定，无定形硼比较活泼，能发生如下反应：(1)高温下，与N2、S、X2等单质反应，如2B＋N22BN。(2)高温下同金属反应生成金属硼化物。(3)赤热下，与水蒸气反应，2B＋6H2O(g)2B(OH)3＋3H2。(4)与热的浓硫酸或浓硝酸反应，2B＋3H2SO4(浓)2H3BO3＋3SO2↑，B＋3HNO3(浓)H3BO3＋3NO2↑。2．硼酸(H3BO3)(1)一元弱酸，H3BO3＋H2OH＋＋[B(OH)4]－。(2)H3BO3受热时会逐渐脱水，首先生成偏硼酸(HBO2)，继续升温可进一步脱水生成四硼酸(H2B4O7)，更高温度时则转变为硼酸的酸酐(B2O3)。3．硼氢化钠(NaBH4)硼氢化钠中的氢元素为－1价，具有还原性，故其可用作醛类、酮类和酰氯类的还原剂：。4．硼砂(Na2B4O7·10H2O)(1)制备：将偏硼酸钠溶于水形成较浓溶液，然后通入CO2调节pH，浓缩结晶分离出硼砂：4NaBO2＋CO2＋10H2O=Na2B4O7·10H2O＋Na2CO3。(2)将硼砂溶于水，用硫酸溶液调节pH，可析出溶解度小的硼酸晶体：Na2B4O7＋H2SO4＋5H2O=4H3BO3↓＋Na2SO4。重温经典【2019全国一卷】硼酸（H3BO3）是一种重要的化工原料，广泛应用于玻璃、医药、肥料等工艺。一种以硼镁矿（含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3）为原料生产硼酸及轻质氧化镁的工艺流程如下：回答下列问题：（1）在95℃“溶侵”硼镁矿粉，产生气体在“吸收”中反应的化学方程式为_________。（2）“滤渣1”的主要成分有_________。为检验“过滤1”后的滤液中是否含有Fe3+离子，可选用的化学试剂是_________。（3）根据H3BO3的解离反应：H3BO3+H2OH++B(OH)−4，Ka=5.81×10−10，可判断H3BO3是_______酸；在“过滤2”前，将溶液pH调节至，目的是_______________。（4）在“沉镁”中生成Mg(OH)2·MgCO3沉淀的离子方程式为__________，母液经加热后可返回___________工序循环使用。由碱式碳酸镁制备轻质氧化镁的方法是_________。【答案】(1).NH3+NH4HCO3＝(NH4)2CO3(2).Fe2O3、Al2O3、SiO2KSCN(3).一元弱转化为H3BO3，促进析出(4).2Mg2++2H2O+3CO32－＝Mg(OH)2∙MgCO3↓+2HCO3－（或2Mg2++H2O+2CO32－＝Mg(OH)2∙MgCO3↓+CO2↑）溶浸高温焙烧【解析】（1）根据流程图知硼镁矿粉中加入硫酸铵溶液产生的气体为氨气，用碳酸氢铵溶液吸收，反应方程式为：NH3+NH4HCO3=(NH4)2CO3;（2）滤渣I为不与硫酸铵溶液反应的Fe2O3、Al2O3、SiO2;检验Fe3+,可选用的化学试剂为KSCN；（3）由硼酸的离解方程式知，硼酸在水溶液中是通过与水分子的配位作用产生氢离子，而三价硼原子最多只能再形成一个配位键，且硼酸不能完全解离，所以硼酸为一元弱酸；在“过滤2”前，将溶液pH调节至，目的是将B(OH)−4转化为H3BO3，并促进H3BO3析出；（4）沉镁过程中用碳酸铵溶液与Mg2+反应生成Mg(OH)2∙MgCO3，沉镁过程离子反应为：2Mg2++2H2O+3CO32-=Mg(OH)2∙MgCO3↓+2HCO3-；母液加热分解后生成硫酸铵溶液，可以返回“溶浸”工序循环使用；碱式碳酸镁不稳定，高温下可以分解，故由碱式碳酸镁制备轻质氧化镁的方法是高温焙烧。【2015全国一卷】硼及其化合物在工业上有许多用途。以铁硼矿（主要成分为Mg2B2O5·H2O和Fe3O4，还有少量Fe2O3、FeO、CaO、Al2O3和SiO2等）为原料制备硼酸（H3BO3）的工艺流程如图所示：已知：硼酸为粉末状晶体，易溶于水，加热到一定温度可分解为无水物。回答下列问题：（1）写出Mg2B2O5·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（写两条）_____________________。（2）“浸渣”中还剩余的物质是：_______________（写化学式）。（3）“净化除杂”需先加H2O2溶液，作用是____________。然后再调节溶液的pH约为5，目的是____________。（4）“粗硼酸”中的主要杂质是_______________（填名称）。（5）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__________________。【答案】（1）Mg2B2O5·H2O+2H2SO42MgSO4+2H3BO3减小铁硼矿粉粒径、提高反应温度（2）SiO2和CaSO4（3）将Fe2+氧化为Fe3+使Al3+与Fe3+形成氢氧化物而除去（4）（七水）硫酸镁（5）2H3BO3B2O3+3H2O、B2O3+3Mg3MgO+2B【解析】（1）Mg2B2O5·H2O与硫酸反应生成硫酸镁和硼酸，化学方程式Mg2B2O5·H2O+2H2SO42MgSO4+2H3BO3；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：减小铁硼矿粉粒径、提高反应温度；（2）利用Fe3O4的磁性，可将其从“浸渣”中分离，“浸渣”中还剩余的物质是SiO2、CaSO4；（3）“净化除杂”需先加H2O2溶液，作用是将Fe2+氧化为Fe3+。然后再调节溶液的pH约为5，目的是使Al3+与Fe3+形成氢氧化物而除去；（4）根据方程式Mg2B2O5·H2O+2H2SO42MgSO4+2H3BO3，反应中还生成硫酸镁，“粗硼酸”中的主要杂质是（七水）硫酸镁；（5）硼酸和金属镁为原料可制备单质硼，硼酸受热分解，生成三氧化二硼，镁将硼还原，化学方程式：2H3BO3B2O3+3H2O、B2O3+3Mg3MgO+2B。【2022湖南模拟】三氯化硼(BCl3)是一种重要的化工原料，实验室采用三氟化硼(BF3)与氯化铝(AlCl3)加热的方法制备BCl3，装置如下图所示（夹持装置及加热装置略）。已知：Ⅰ.三氟化硼(BF3)易与水反应；三氯化硼(BCl3)易潮解；三氯化铝(AlCl3)沸点低、易升华。Ⅱ.部分物质的沸点如下表所示。物质BF3BCl3AlCl3沸点/℃-101180回答下列问题：（1）BF3中B的杂化方式为_____，AlCl3属于____晶体。C中仪器a的名称为______（每空1分，共3分）。（2）将氟硼酸钾(KBF4)和硼酐(B2O3)一起研磨均匀加入A中的圆底烧瓶，滴大浓硫酸并加热，除产生气体外，还生成一种酸式盐，分别写出气体和酸式盐的化学式_______、________。（3）实验开始时，两处加热装置应先加热________（填“A"或“C”）（1分）（4）装置B中盛放的是浓硫酸，其作用是________。（5）装置D的作用是________。（6）C中无水氯化铝完全反应后，取下U形管并注入水，完全反应生成盐酸和硼酸(H3BO3是一元弱酸)，将所得溶液加水稀释到250mL，取10mL加入锥形瓶中滴入2滴酚酞淬用0.1000mol·L-1的NaOH溶液滴定至终点，消耗NaOH溶液的体积为28.00mL，则BCl3的产率为_______%（保留四位有效数字）。【答案】（1）sp2分子球形冷凝管（2）BF3KHSO4（3）A（4）干燥除水，观察气泡，控制气体流速（5）冷凝收集BCl3（6）【解析】本实验的目的是采用三氟化硼(BF3)与氯化铝(AlCl3)加热的方法制备BCl3，装置A中利用氟硼酸钾(KBF4)、硼酐(B2O3)和浓硫酸反应制取BF3气体，经装置B中浓硫酸干燥后进入装置C与AlCl3反应，AlCl3易升华，所以用装置a冷凝回流，装置D中冷凝收集BCl3，为防止BCl3水解，装置E中盛放碱石灰吸收水蒸气，装置F处理尾气。（1）根据的沸点低、易升华，可以推断出AlCl3不是离子晶体而是分子晶体；（2）装置A中发生的反应为非氧化还原反应，且产生一种酸式盐，可判断酸式盐为KHSO4，气体为BF3（3）BCl3易水解，先加热A处，可以利用A处产生的BF3气体排除装置内空气，防止水蒸气干扰实验；（4）浓硫酸做干燥剂，同时也可以通过观察装置B中产生的气泡，控制气体流速；（5）装置D用冰水浴，作用应是冷凝收集BCl3；（6）无水氯化铝为，则理论上制取BCl3，BCl3和水反应的化学方程式为BCl3+3H2O══H3BO3+3HCl，所以得到的溶液中H3