化学自习室移动版

一、硼及其常考化合物的性质简介

1．硼单质

硼(B)的化学性质与 Si有某些相似之处(对角线相似原则)，通常呈现＋3氧化数，负氧化数的情况很少见。B₂O₃是酸性氧化物，硼烷、硅烷可形成多种可燃性气态物质，而AlH₃是固态的。在自然界中，硼以硼砂(Na₂B₄O₇·10H₂O)、四水硼砂(Na₂B₄O₇·4H₂O)、天然硼酸(H₃BO₃)的形式存在。

硼在自然界中丰度之所以低，是因为

所以硼材料可作为核反应堆的减速剂和生物防护。单质硼有多种复杂的晶体结构，其中，最普通的一种是α－菱形硼，其结构如图所示，基本结构单元为正二十面体的对称几何构型，然后由 B₁₂的这种二十面体排布起来组成六方晶系的α－菱形硼。

2．硼烷

硼烷是缺电子化合物，例如，B₂H₆中价电子总共只有12个，不足以形成7 个二中心二电子单键(2C－2e-)，B原子采取sp³杂化，位于一个平面的 BH₂原子团以二中心二电子键连接，位于该平面上、下且对称的H原子与硼原子分别形成三中心二电子键，称为氢桥键。其分子结构如图3.4所示。

硼烷可作为火箭燃料：

－1

乙硼烷(B₂H₆)理应是理想的火箭燃料，但由于硼烷有很高的毒性，且贮存条件苛刻(易燃且易水解)，只好暂时放弃。

硼烷作为一种万能还原剂在有机化学上被广泛使用。可以用于制备聚合物，其在高温下稳定，低温下保持黏度不变。硼烷化合物与蛋白质结合，可用于肿瘤治疗。

乙硼烷的制备方法主要包括以下 3种：

(1)质子置换法：

(2)氢化法:

(3)氢负离子置换法：

3．硼的含氧化合物

(1)B₂O₃

B₂O₃易溶于水，可用作吸水剂：

熔融的B₂O₃可与金属氧化物反应得到特征颜色：

(蓝色)

(绿色)

B₂O₃与NH₃反应，在500℃时生成(BN)_n，其结构与石墨相似。

(2)H₃BO₃

H₃BO₃为一元弱酸，呈片状晶体结构，OH ⁻间以氢键连接。在冷水中溶解度小，在热水中因部分氢键断裂而使溶解度增大。

H₃BO₃与碱反应时，有

过量 NaOH 使 Na₂B₄O₇变成NaBO₂

H₃BO₃的酸性可通过加入甘油或甘露醇等多元醇而大大增强：

二、以典例逐层破解陌生元素的工艺流程题的思维

25－26高三上·北京东城·期末试题如下：

某盐湖卤水中含Na^＋、Mg^2＋、Li^＋、Cl^－、[B(OH)₄]^－等。一种综合利用流程示意图如下。

(1)脱硼时[B(OH)₄]^－转化为H₃BO₃的离子方程式是___________。

(2)H₃BO₃在水中的溶解度随温度升高而显著增大。补全重结晶的步骤：加热溶解、___________(补全操作)、过滤、洗涤、干燥。

(3)由浓缩液制备高纯Li₂CO₃流程示意图如下。

已知：

①沉镁反应的离子方程式是___________。

②沉钙时，当c(Ca^2＋)＜1×10^－5mol/L，可认为其沉淀完全。溶液2中，若c(Li^＋)=2 mol/L，则c(CO₃^2－)的范围是___________～___________mol/L。

(4)电解LiHCO₃溶液原理示意图如下。

结合电极反应式解释，电解过程中LiOH溶液浓度增大的原因：___________。

(5)电解后，向浓LiOH溶液中加入过量NH₄HCO₃溶液并加热，过滤后直接烘干即可制得高纯Li₂CO₃.为确保Li₂CO₃纯度，NH₄HCO₃必须过量，原因是___________。

1、问题剖析

本题为工艺流程题，向某含Na^＋、Mg^2＋、Li^＋、Cl^－、[B(OH)₄]^－等的盐湖卤水中加入盐酸进行脱硼处理，过滤得到粗硼酸晶体和脱硼液，对粗硼酸进行重结晶处理可获得高纯H₃BO₃，将脱硼液进行脱水浓缩得到浓缩液，向浓缩液中加入石灰乳进行沉镁，过滤得到溶液1和沉淀1Mg(OH)₂、Ca(OH)₂，向溶液1中加入Na₂CO₃进行沉钙出来，过滤得到溶液2和沉淀2CaCO₃，向溶液2中加入饱和Na₂CO₃溶液进行沉锂，过滤得到粗Li₂CO₃沉淀，将Li₂CO₃沉淀转化为LiHCO₃溶液，电解LiHCO₃溶液得到LiOH，LiOH溶液和CO₂反应获得高纯Li₂CO₃，据此分析解题。

(1)脱硼时[B(OH)₄]^－和盐酸发生反应，生成H₃BO₃和H₂O，[B(OH)₄]^－＋H^＋=H₃BO₃↓＋H₂O；

(2)因为杂质是难溶性物质，而H₃BO₃在水中的溶解度随温度升高而显著增大，故趁热过滤，除去不溶性杂质后，冷却结晶，使H₃BO₃析出，故答案为：趁热过滤，冷却结晶；

(3)①Ca(OH)₂浊液和Mg^2＋反应生成Mg(OH)₂，离子方程式：Ca(OH)₂(s)＋Mg^2＋(aq)==Mg(OH)₂(s)＋Ca^2＋(aq)；

②当钙离子恰好沉淀完全时，c(Ca^2＋)=1×10^－5mol/L，由K_sp(CaCO₃)=c(Ca^2＋)c(CO₃^2－)得c(CO₃^2－)==mol/L=2.5×10^－4mol/L，根据题意，Li₂CO₃不能沉淀，由K_sp(Li₂CO₃)=c²(Li^＋)c(CO₃^2－)得c(CO₃^2－)==mol/L=8×10^－3mol/L，所以c(CO₃^2－)的范围：2.5×10^－4mol/L～8×10^－3mol/L，故答案为：2.5×10^－4；8×10^－3；

(4)电解LiHCO₃溶液是水的电解，阴极反应式为2H₂O＋2e^-=H₂↑＋2OH^－，电解过程中Li^＋从阳极通过Li^＋离子交换膜进入阴极溶液，与阴极生成的OH^－形成LiOH，因此LiOH浓度增大；

(5)加入过量的NH₄HCO₃，为了确保LiOH完全转化为Li₂CO₃，无剩余；加热条件下，NH₄HCO₃会分解氨气、二氧化碳和水，烘干时易除去，不会引入新杂质，故答案为：确保LiOH完全转化为Li₂CO₃，无剩余；加热条件下，NH₄HCO₃会分解氨气、二氧化碳和水，烘干时易除去，不会引入新杂质.

2、好题思路反思，到底考了哪些知识点？

Ø脱硼离子方程式：卤水中的 [B(OH)₄]⁻ 与加入的盐酸反应生成硼酸沉淀，属于复分解反应，注意硼酸是弱酸但难溶于水，离子方程式为 [B(OH)₄]⁻ ＋ H⁺ = H₃BO₃↓ ＋ H₂O。

重结晶操作：由于硼酸溶解度随温度升高显著增大，重结晶时应先加热溶解，再趁热过滤除去不溶性杂质，然后冷却结晶使硼酸析出，最后过滤、洗涤、干燥。因此补全的操作为“趁热过滤，冷却结晶”。

沉镁反应：加入石灰乳(Ca(OH)₂ 悬浊液)与 Mg²⁺ 反应生成 Mg(OH)₂ 沉淀，由于石灰乳以固体形式存在，离子方程式应写为 Ca(OH)₂(s) ＋ Mg²⁺(aq) ⇌ Mg(OH)₂(s) ＋ Ca²⁺(aq)，体现固体参与反应。

沉钙时 CO₃²⁻ 浓度范围：要求 Ca²⁺ 沉淀完全(c(Ca²⁺) ＜ 1×10⁻⁵ mol/L)且 Li⁺ 不沉淀。根据 K_sp(CaCO₃) = c(Ca²⁺)·c(CO₃²⁻)，可得使 Ca²⁺ 沉淀完全所需的最小 c(CO₃²⁻) = K_sp(CaCO₃) / 1×10⁻⁵ = 2.5×10⁻⁹ / 10⁻⁵ = 2.5×10⁻⁴ mol/L。同时，为防止 Li₂CO₃ 沉淀，c(CO₃²⁻) 必须小于使 Li₂CO₃ 开始沉淀的浓度，由 K_sp(Li₂CO₃)=c²(Li⁺)·c(CO₃²⁻)得 c(CO₃²⁻) = K_sp(Li₂CO₃) / (2²) = 3.2×10^⁻2/ 4 = 8×10⁻³ mol/L，思路是利用溶度积计算两个临界值，得出范围。

电解 L iHCO₃ 溶液：电解池中阴极发生还原反应：2H₂O ＋ 2e⁻ = H₂↑ ＋ 2OH⁻，阳极发生氧化反应：2H₂O － 4e⁻ = O₂↑ ＋ 4H⁺。Li⁺ 通过阳离子交换膜从阳极区移向阴极区，与阴极生成的 OH⁻ 结合成 L iOH，因此阴极区 LiOH 浓度增大。

NH₄HCO₃ 过量的原因：为确保 LiOH 完全转化为 Li₂CO₃，需要加入过量 NH₄HCO₃；同时过量的 NH₄HCO₃ 在加热条件下分解为 NH₃、CO₂ 和水，烘干时易除去，不会引入新杂质，从而保证产品纯度。