高中 | 杂化轨道理论 题目答案及解析

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选修三

第二章 分子结构与性质

第二节 分子的立体结构

杂化轨道理论

硼的化合物有重要应用。

写出基态$\rm B$的电子排布式                

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$\\rm 1s^{2}2s^{2}2p^{1}$

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$\rm B$$\rm 5$号元素,因此基态$\rm B$原子的电子排布式为$\rm 1s^{2}2s^{2}2p^{1}$

硼酸$\rm (H_{3}BO_{3})$的结构如图所示。在水溶液中硼酸的电离方程式:$\rm H_{3}BO_{3}\rm +\rm H_{2}O\underset{{}}{\overset{{}}{\mathop{\rightleftharpoons }}}\,\rm [B(OH)_{4}]^{-}\rm +\rm H^{+}$$\rm 25\;\rm ^\circ\rm C$$K\rm _{a}\rm =\rm 10^{- 9.23}$

① 将“$\rm -OH$”视为一个原子,硼酸分子的空间构型为                

$\rm [B(OH)_{4}]^{- }$中,$\rm B$原子的杂化轨道类型为                ;从化学键的角度说明$\rm H_{3}BO_{3}$形成$\rm [B(OH)_{4}]^{-}$的过程:                

$\rm H_{3}BO_{3}$可由$\rm BCl_{3}$水解得到,$\rm BCl_{3}$属于                $\rm ($填“极性”或“非极性”$\rm )$分子。

④用中和滴定法测定$\rm H_{3}BO_{3}$纯度。

$a$ $\rm g$ $\rm H_{3}BO_{3}$样品$\rm ($所含杂质不与$\rm NaOH$反应$\rm )$,用$\rm 0.5$ $\rm mol·L^{-1}$ $\rm NaOH$溶液滴定至终点,消耗$\rm NaOH$溶液$ V$ $\rm mL$,测得$\rm H_{3}BO_{3}$的纯度为                $\rm ($用质量分数表示,$\rm H_{3}BO_{3}$的摩尔质量为$\rm 62$ $\rm g·mol^{-1})$

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平面三角形;$\\rm sp^{3}$$\\rm H_{3}BO_{3}$$\\rm B$提供空轨道,$\\rm OH^{-}($$\\rm H_{2}O)$提供孤电子对,二者形成配位键;非极性分子;$\\dfrac{{31V}\\times {1}{{{0}}^{{-3}}}}{{a}}\\times 100\\%$

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①硼酸分子式为$\rm H_{3}BO_{3}$,将“$\rm -OH$”视为一个原子,则硼酸分子中$\rm B$原子的价层电子对数为$\rm 3+( 3-3) \div 2=3$,无孤电子对,其空间构型和$\rm VSEPR$模型均为平面三角形;

$\rm [B(OH)_{4}]^{-}$$\rm B$原子的价层孤电子对数为$\rm 4$$\rm VSEPR$模型为正四面体,$\rm B$杂化轨道类型为$\rm sp^{3}$杂化;$\rm H_{3}BO_{3}$$\rm B$原子的电子排布式为:$\rm 1s^{2}2s^{2}2p^{1}$,有空的$\rm p$轨道,$\rm B$原子提供空轨道,$\rm OH^{-}($$\rm H_{2}O)$提供孤电子对,二者形成配位键;

$\rm BCl_{3}$$\rm B$原子的价层电子对数为$(\rm 3+3) \div 2=3$$\rm sp^{2}$杂化,无孤电子对,$\rm BCl_{3}$为正三角形,为非极性分子;

④在水溶液中硼酸的电离方程式:$\rm H_{3}BO_{3}\rm +\rm H_{2}O\underset{{}}{\overset{{}}{\mathop{\rightleftharpoons }}}\,\rm [B(OH)_{4}]^{- }\rm +\rm H^{+}$,故硼酸为一元酸,${n\rm (H_{3}BO_{3})}=n{\rm (NaOH)=\rm 0.5\;\rm mol·L^{-1}}\times {V\rm \;mL\times 10^{-3}}=5V\times 10^{-4}\;\rm mol$$\rm H_{3}BO_{3}$的纯度为$\dfrac{{5V}\times {1}{{{0}}^{{-4}}}{\rm \;mol}\times {62\;\rm g/mol}}{{a\rm \;g}}\times 100\%=\dfrac{{31V}\times {1}{{{0}}^{{-3}}}}{{a}}\times 100\%$

氨硼烷$\rm (NH_{3}BH_{3})$含氢量高、热稳定性好,是一种具有潜力的固体储氢材料。

① 氨硼烷中$\rm N$为–$\rm 3$价,$\rm B$$\rm +3$价。$\rm H$$\rm B$$\rm N$的电负性由大到小依次为                

② 氨硼烷在催化剂作用下水解释放氢气,用单线桥表示该反应的电子转移。                

$\rm 3NH_{3}BH_{3}\rm +\rm 6H_{2}O\begin{matrix} \underline{\underline{催化剂}} \\ {} \\ \end{matrix}\text{3NH}_{4}^{+}\rm +{{\text{B}}_{\text{3}}}\text{O}_{6}^{3-}\rm +\rm 9H_{2}↑$

③ 氨硼烷分子间存在“双氢键”使氨硼烷的熔点明显升高。“双氢键”能形成的原因是                

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$\\rm N\\rm \\gt \\rm H\\rm \\gt \\rm B$;与$\\rm N$相连的$\\rm H$带正电,与$\\rm B$相连的$\\rm H$带负电,两种$\\rm H$之间存在相互作用

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①电负性大的表现为负价,氨硼烷中$\rm N$$-\rm 3$价,$\rm B$$\rm +3$价,所以电负性$\rm N\gt B$,氨气中$\rm N$为–$\rm 3$价,$\rm H$$\rm +1$价,所以电负性$\rm N\gt H$$\rm BH_{3}$$\rm B$$\rm +3$价,$\rm H$$\rm -1$价,所以电负性$\rm H\gt B$,所以电负性由大到小依次为:$\rm N\rm \gt \rm H\rm \gt \rm B$

$\rm NH_{3}BH_{3}$$\rm B$元素为$\rm +3$价,失去电子变为$\rm +5$价的$\rm B$生成${{\text{B}}_{\text{3}}}\text{O}_{6}^{3-}$$\rm H_{2}O$$\rm H$$\rm +1$价得到电子变为$\rm 0$$\rm H$生成氢气,用点线桥表示电子转移时箭头失去电子的元素指向得到电子的元素,故单线桥表示电子转移为:

③氨硼烷分子中$\rm N$$-\rm 3$价,$\rm B$$\rm +3$价,与$\rm N$相连的$\rm H$带正电,与$\rm B$相连的$\rm H$带负电,两种$\rm H$原子形成分子间双氢键,分子间氢键使氨硼烷的熔点明显升高,所以双氢键都能形成的原因是与$\rm N$相连的$\rm H$带正电,与$\rm B$相连的$\rm H$带负电,两种$\rm H$之间存在相互作用;

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