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中国化学会第20届全国高中学生化学竞赛(省级赛区)试题及答案和评分标准

时间:2011-06-11


中国化学会第 20 届全国高中学生化学竞赛(省级赛区)试题及答案和评分标准
(2006 年 9 月 10 日 9:00 - 12:00 共计 3 小时) 题 号 满 分 得 分 评卷 人 竞赛时间 3 小时。迟到超过半小时者不能进考场。开始考试后 1 小时内不得离场。时间 到,把试卷(背面朝上)放在桌面上,立即起立撤离考场。 试卷装订成册,不得拆散。所有解答必须写在指定的方框内,不得用铅笔填写。草稿纸 在最后一页。不得持有任何其他纸张。 姓名、报名号和所属学校必须写在首页左侧指定位置,写在其他地方者按废卷论处。 允许使用非编程计算器以及直尺等文具。
He 4.003 O Ne B C N F Li Be 6.941 9.012 10.81 12.01 14.01 16.00 19.00 20.18 Al Si P S Cl Ar Na Mg 26.98 28.09 30.97 32.07 35.45 39.95 22.99 24.31 Ge As Se K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Br Kr 39.10 40.08 44.96 47.8850.94 52.00 54.94 55.85 58.93 58.69 63.55 65.39 69.72 72.61 74.92 78.96 79.90 83.80 In Sn Sb Te I Xe Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd 85.47 87.62 88.91 91.22 92.91 95.94 98.91 101.1 102.9 106.4 107.9 112.4 114.8 118.7 121.8 127.6 126.9 131.3 Hf Ta W Re Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Cs Ba Os Ir 132.9 137.3 La-Lu 178.5 180.9 183.9 186.2 190.2 192.2 195.1 197.0 200.6 204.4 207.2 209.0 [210] [210] [222] Fr Ra [223] [226] Ac-Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt H

1 4

2 5

3 8

4 7

5 6

6 9

7 11

8 9

9 10

10 10

11 11

12 10

总分 100

1.008

相相相相相相

第 1 题(4 分)2006 年 3 月有人预言,未知超重元素第 126 号元素有可能与氟形成稳定的化 合物。按元素周期系的已知规律,该元素应位于第 周期,它未填满电子的能级应 是 ,在该能级上有 个电子,而这个能级总共可填充 个电子。 【正确答案】 第 1 题(4 分)2006 年 3 月有人预言,未知超重元素第 126 号元素有可能与氟形成稳定的化 合物。按元素周期系的已知规律,该元素应位于第 八 周期,它未填满电子的能级应 是 5g ,在该能级上有 6 个电子,而这个能级总共可填充 18 个电子。 第 2 题(5 分)下列反应在 100℃时能顺利进行:

1

2—1 给出两种产物的系统命名。 分) (4 2—2 这两种产物互为下列哪一种异味构体?(1 分) A.旋光异构体 B.立体异构体 C.非对映异构体 D.几体异构体 【正确答案】 2—1 若不把氘视为取代基,则 Ⅰ: (7S,3Z,5Z)—3—甲基—7—氘代—3.5—辛二烯 (2 分) Ⅱ: (7R,3E,5Z)—3—甲基—7—氘代—3.5—辛二烯 (2 分) 或, 若把氘视为取代基,则 Ⅰ: (2R,3Z,5Z)—2—氘代—6—甲基—3.5—辛二烯 (2 分) Ⅱ: (2S,3Z,5E)—2—氘代—6—甲基—3.5—辛二烯 (2 分) 2—2 B (立体异构体) (1 分) 第 3 题(8 分)下面四张图是用计算机制作的在密闭容器里,在不同条件下进行的异构化反 应 XY 的进程图解。图中的“”是 X, “”是 Y。

(填入物理量,下同) ;横坐标表示 。 3—1 图中的纵坐标表示 。 3—2 平衡常数 K 最小的图是 3—3 平衡常数 K 最大的图是 。 3—4 平衡常数 K = 1 的图是 。 【正确答案】 3—1 X 和 Y 的摩尔百分数(或答:物质的量的分数或物质的量的百分数)(2 分) ; 3—2 A (2 分) 3—3 B (2 分) 3—4 C (2 分) 第 4 题(7 分) 已探明我国锰矿储量占世界第三位,但富矿仅点 6.4%,每年尚需进口大量 锰矿石。有人设计了把我国的菱锰矿(贫矿)转化为高品位“菱锰矿砂”的绿色工艺。该工 艺首先将矿砂与硫酸铵一起焙烧,较佳条件是:投料比 [(NH4)3SO4]/m[MnCO2]=1.5;焙烧温度 450℃;焙烧时间 1.5 小时。 4.1 写出焙烧反应方程式:
2

4.2 其次,将焙烧产物转化为高品位的“菱锰矿砂” ,写出反应方程式: 4.3 若焙烧温度过高或时间过长,将导致什么结果? 4.4 从物料平衡角度看,生产过程中是否需要添加(NH4)3SO4?说明理由。 【正确答案】 4—1 写出焙烧反应方程式: (NH4)2SO4+MnCO3=MnSO4+2NH3↑+CO2↑+H2O↑ (1 分) 4—2 其次,将焙烧产物转化为高品位的“菱锰矿砂” ,写出反应方程式: MnSO4+2NH3+CO2+H2O=(NH4)2SO4+MnCO3↓ (2 分) 4—3 若焙烧温度过高或时间过长,将导致什么结果? MnSO4,MnCO3 分解生成高价锰的氧化物而导致锰浸出率下降。 (2 分) 4—4 从物料平衡角度看,生产过程中是否需要添加(NH4)2SO4?说明理由。 - - , 不需加。开始投料时(NH4)2SO4(132g·mol 1)过量(MnCO3,115g·mol 1) 反应生成的 NH3、CO2 以及(NH4)2SO4 可循环利用。 (2 分) -1 - 第 5 题(6 分)配制 KI(0.100mol·L )-I3 的水溶液,用 0.100mol·L 1Na3S3O3 标准溶液 - - 测得 c(I3)=4.85×10 3 mol·L 1。量取 50.0mL KI-I3 溶液和 50.0mLCCl4 置于分液漏斗中振荡 - - 达平衡,分液后测知 CCl4 相中 c(I3)=2.60×10 3 mol·L 1。已知实验温度下 CCl4 从水溶液中 - - 萃取 I3 的分配比为 85:1。求水溶液中 I3+I =I 3 的平衡常数。 【正确答案】 - - 设萃取平衡时,水溶液中 c(I2)为 x c(I2,CCl4)/c(I2, H2O)=2.60×10 3 mol·L 1/x=85 - - - - (2 分) x=2.60×10 3 mol·L 1/85=3.06×10 5 mol·L 1 - - 水溶液中 I2+I =I3 - 平衡浓度(mol·L 1) -5 - - I2:3.06×10 ; 分) I :0.100-2.22×10 3=0.098 (1 分) (1 - - - - I3 :(4.85-2.60)×10 3-3.06×10 5=2.22×10 3 (1 分) -3 -1 -1 -5 - - K=2.22×10 mol·L /0.098 mol·L ×3.06×10 mol·L 1=7.4×102 L·mol 1 (不写单位不扣分) (1 分) 第 6 题(9 分)潜在储氢材料——化合物 A 是第二周期两种氢化物形成的路易斯酸碱对,是 乙烷的等电子体,相对分子质量 30.87 常温下为白色晶体,稳定而无毒。刚刚融化的 A 缓慢 释放氢气,转变为化合物 B(乙烯的等电子体) 不稳定,易聚合成聚合物 C(聚乙烯的等 。B 电子体) C 在 155℃释放氢气转变为聚乙炔的等电子体, 。 其中聚合度为 3 的化合物 D 是苯的 等电子体。高于 500℃时 D 释放氢气,转变为化合物 E、E 有多种晶型。 6—1 写出 A、B、C、D、E 的化学式。 6—2 化合物 A 转变为 E 各步释放的氢氢占的质量分数以及总共释放的氢气所占的质量分 数多大? 6—3 6—1 为使 A 再生,有人设计了化合物 D 在水蒸气存在下与甲烷反应,写出化学方程式。 写出 A、B、C、D、E 的化学式。 B.H2B=NH2(或 BNH4) D.B3N3H6 (5 分)
3

A.H3B : NH3(或 BNH6) C.[ H2B—NH2 ] E.BN

6—2

化合物 A 转变为 E 各步释放的氢所占的质量分数以及总共释放的氢气所占的质量分 数多大?

A→B 2.016/30.87=6.531%(或 0.06531) B→C 2.016/28.85=6.988%(或 0.06988) D→E 6.048/26.84=24.14%(或 0.2414) A→E 6.048/30.87=19.59%(或 0.1959) 6—3 3CH4+2(HBNH)3+6H2O=3CO2+6H3BNH3 形成无色晶体,能除去锅炉水中溶解氧,并可使锅炉壁钝化。 7—1 7—2 7—3 7—4 7—5 7—6 A 是用碳酸二甲酯和一水合肼在 70℃下合成的,收率 80%。画出 A 的结构式。 写出合成 A 的反应方程式。 低于 135℃时,A 直接与溶解氧反应,生成三种产物。写出化学方程式。 高于 135℃时,A 先发生水解,水解产物再与氧反应。写出化学方程式。 化合物 A 能使锅炉壁钝化是基于它能将氧化铁转化为致密的四氧化三铁。 写出化学 方程式。 化合物 A 与许多金属离子形成八面体配合物,例如[Mn(A)1]3+。结构分析证实该 配合物中的 A 和游离态的 A 相比,分子中原本等长的两个键不再等长。画出这种 配合物的结构简图(氢原子不需画出) ,讨论异构现象。 【正确答案】 7—1 A 是用碳酸二甲酯 和一水合肼在 70℃下合成的,收度 80%。画出 A 的结构式。 (2 分) (2 分) 为使 A 再生,有人设计了化合物 D 在水蒸气存在下与甲烷反应,写出化学方程式。

第 7 题(11 分)化合物 A 是近十年开始采用的锅炉水添加剂。A 的相对分子质量 90.10,可

注:C—N—N 角必须不是直线 7—2 写出合成 A 的反应方程式。 O=C(OCH3)2+2H2NNH2·H2O=O=C(NHNH2)2+2CH3OH+2H2O 7—3 低于 135℃时,A 直接与溶解氧反应,生成三种产物。写出化学方程式。

(2 分) (1 分)

(N2H3)2CO+2O2=2N2+CO2+3H2O (1 分) 7—4 高于 135℃时,A 先发生水解,水解产物再与氧反应。写出化学方程式。 (N2H3)2CO+H2O=2N2H4+CO2 N2H4+O2=N2+2H2O (1 分) 7—5 化合物 A 能使锅炉壁钝化是基于它能将氧化铁转化为致密的四氧化三铁。写出化学 方程式。 (2 分) (N2H3)2CO+12Fe2O3=8Fe3O4+2N2+CO2+3H2O 2+ 7—6 化合物 A 与许多金属离子形成八面体配合物,例如[Mn(A)3] 。结构分析证实该
4

配合物中的 A 和游离态的 A 相比,分子中原本等长的两个键不再等长。画出这种 配合物的结构简图(氢原子不需画出) ,讨论异构现象。

(2 分) 有一对经式、面式异构体(几何异构体) 分)它们分别有一对对映异构体(手性异构 (1 体) 分) (1 (画不画异构体的结构不影响得分。 ) 第 8 题(9 分)超硬材料氮化铂是近年来的一个研究热点。它是在高温、超高压条件下合成 的(50Gpa、2000K) 。由于相对于铂,氮原子的电子太少,衍射强度大弱,单靠 X-射线衍射 实验难以确定氮化铂晶体中氮原子数和原子坐标,2004 年以来,先后提出过氮化铂的晶体结 构有闪锌矿型、岩盐型(NaCl)和萤石型,2006 年 4 月 11 日又有人认为氮化铂的晶胞如下 图所示(图中的白球表示氮原子,为便于观察,该图省略了一些氮原子) 。结构分析证实, 氮是四配位的,而铂是六配位的;Pt—N 键长均为 209.6pm,N—N 键长均为 142.0pm(对比: 。 N2 分子的键长为 110.0pm)

8-1 氮化铂的上述四种立方晶体在结构上有什么共同点? 8-2 分别给出上述四种氮化铂结构的化学式。 8-3 试在图上挑选一个氮原子,不添加原子,用粗线画出所选氮原子的配位多面体。

5

8—4 8—1 8—2 8—3

请在本题的附图上添加六个氮原子(添加的氧请尽可能靠前) 。 氮化铂的上述四种立方晶体结构上有什么共同点? 铂原子面心立方最密堆积。 (2 分) 分别给出上述四种氮化铂结构的化学式。 依次为 PtN、PtN2、PtN2 (2 分) 试在图上挑选一个氮原子,不添加原子,用粗线画出所选氮原子的配位多面体。

(3 分) 8—4 请在本题的附图上添加六个氮原子(添加的氮请尽可能靠前) 。

(2 分) 第 9 题(10 分)环磷酰胺是目前临床上常用的抗肿瘤药物,国内学者近年打破常规,合成了 类似化合物,其毒性比环磷酰胺小,若形成新药,可改善病人的生活质量,其中有一个化合 物的合成路线如下,请完成反应,写出试剂或中间体的结构。

6

注:NBS 即 N-溴代丁二酰亚胺。 【正确答案】

第 10 题(10 分)以氯苯为起始原料,用最佳方法合成 1—溴—3—氯苯(限用具有高产率的 各反应,标明合成的各个步骤) 。 【正确答案】

第 11 题(11 分)磷化硼是一种受到高度关注的耐磨涂料,它可用作金属的表面保护层。磷 化硼可由三溴化硼和三溴化磷在氢气中高温反应合成。 11—1 写出合成磷化硼的化学反应方程式。 11—2 分别画出三溴化硼分子和三溴化磷分子的结构。 11—3 磷化硼晶体中磷原子作立方最密堆积,硼原子填入四面体空隙中。画出磷化硼的正 当晶胞示意图。 11—4 已知磷化硼的晶胞参数 a=478pm,计算晶体中硼原子和磷原子的核间距( ) 11—5 画出磷化硼正当晶胞沿着体对角线方向的投影(用实线圆圈表示 P 原子的投影,用 虚线圆圈表示 B 原子的投影) 。
7

【正确答案】 11—1 写出合成磷化硼的化学反应方程式。 BBr3+PBr3+3H2=BP+6HBr (1 分) 11—2 分别画出三溴化硼分子和三溴化磷分子的结构。

(画不画磷上的孤对电子不影响得分) (2 分) 11—3 磷化硼晶体中磷原子作立方最密堆积,硼原子填入四面体空隙中。画出磷化硼的正 当晶胞示意图。

11—4

。 已知磷化硼的晶胞参数 a=478pm,计算晶体中硼原子和磷原子的核间距(dB-P)

d B?P =

1 1 3a = 3 × 478 pm = 207 pm 4 4

或 d B ? P = [( 11—5

1 1 1 2a ) 2 + ( a ) 2 ] 2 = 3a = 207 × 478 pm = 207 pm (2 分) 4 4 4

1

画出磷化硼正当晶胞沿着体对角线方向的投影(用实线圆圈表示 P 原子的投影,用 虚线圆圈表示 B 原子的投影) 。

第 12 题(10 分)有人设计了如下甲醇(methanol)合成工艺:

其中,?为甲烷气源,压强 250.0kPa,温度 25℃,流速 55.0m1·s 1。?为水蒸气源,压强 - 200.0kPa, 温度 150℃, 流速 150.0 m1· 1。 s 合成气和剩余反应物的混合物经管路?进入 25℃
8



的冷疑器 (condenser) 冷凝物由管路?流出。 B 中合成的甲醇和剩余反应物的混合物经? , 在 - 进入 25℃凝器,甲醇冷凝后经管路?流出,其密度为 0.791g·mL 1。 12—1 分别写出在步骤 A 和步骤 B 中所发生的化学反应的方程式。 12—2 假定:所有气体皆为理想气体,在步骤 A 和 B 中完全转化,气液在冷凝器中完全分 离,计算经步骤 A 和步骤 B 后,在一秒钟内剩余物的量。 12—3 实际上, 在步骤 B 中 CO 的转化率只有三分之二。 计算在管路⑥中 CO、 2 和 CH3OH H 的分压(总压强为 10.0MPa) 。 12—4 当甲醇反应器足够大,反应达到平衡,管路⑥中的各气体的分压服从议程

KP =

2 p (CH 3 OH) × p 0 p (CO) × p 2 (H 2 )

式中 p 0 = 0.100 MPa,计算平衡常数 K p 。 郑重声明;本试题的版权属中国化学会所有,不经中国化学会化学竞赛负责入受权,任何入 不得翻印、不得在出版物或互联网网站上转载、饭卖、赢利,违者必究。 【正确答案】 12—1 分别写出在步骤 A 和步骤 B 中所发生的化学反应的方程式。 (1 分) (1 分) CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g) 12—2 离,计算经步骤 A 和步骤 B 后,在一秒钟内剩余物的量。

假定:所有气体皆为理想气体,在步骤 A 和 B 中完全转化,气液在冷凝器中完全分

n (CH4)=(250.0×103×55.0)/(8.314×298)=5.55×103(mol) n [H2O(g)]=(200.0×103×150.0)/(8.314×423)=8.53×103(mol)
经步骤 A 后在③中过量的 H2O(g)=(8.53×103-5.55×103)mol=2.98×103mol(1 分) 在步骤 A 中生成的 CO 和 H2 的摩尔比为 1:3,而在步骤 B 中消耗的 CO 和 H2 的摩尔比 为 1:2,故经步骤 B 后剩余的 H2 为 5.55×103mol 12—3 的分压(总压强为 10.0MPa) 。 (1 分) 实际上, 在步骤 B 中 CO 的转化率只有三分之二。 计算在管路⑥中 CO、 2 和 CH3OH H

nT = n(CO ) + n( H 2 ) + n(CH 3OH )

= {5.55 × 10 3 × 1 / 3 + (16.65 × 10 3 ? 5.55 × 10 3 × 2 / 3 × 2) + 5.55 × 10 3 × 2 / 3} mol
=14.8×103mol

p (i ) = pT × ni / nT p (CO) = 10.0 MPa × (5.55 × 10 3 × 1 / 3 / 14.8 × 10 3 ) = 1.25MPa p ( H 2 ) = 10.0 MPa × (9.25 × 10 3 / 14.8 × 10 3 ) = 6.25MPa
9

(1 分) (1 分)

p (CH 3 OH ) = 10.0 MPa × (5.55 × 10 3 × 2 / 3 / 14.8 × 10 3 ) = 2.5MPa (1 分)
12—4 当甲醇反应器足够大,反应达到平衡,管路⑥中的各气体的分压服从方程

Kp =

p(CH 3 OH ) × p0 p(CO ) × p 2 ( H 2 )

式中 p 0 = 0.100 MPa ,计算平衡常数 K p 。

K p = 2.50 × (0.100) 2 /(1.25 × 6.25 2 ) = 5.12 × 10 ?4

(2 分)

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