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2001年全国高中学生化学竞赛(初赛)试题与试题分析

时间:2011-01-15


中国化学会

2001 年全国高中学生化学竞赛(省级赛区)试题 年全国高中学生化学竞赛(省级赛区)
(2001 年 10 月 13 日 9︰00-12︰00 共计 3 小时)

第 1 题(4 分)今年 5 月底 6 月初,各地报刊纷纷转载了不要将不同品牌洁污剂混合使用的警告。

据报道, 在全国各地发生了多起混合洁污剂发生氯气中毒的事件。 根据你的化学知识作出如下判 断(这一判断的正确性有待证明):当事人使用的液态洁污剂之一必定含氯,最可能的存在形式 是 生氯 气: 同位素
12



。当另一种具有

(性质)的液态洁污剂与之混合,可能发生如下反应而产

相对原子质量 12(整数)

地壳丰度(原子分数) 0.9893(8) 0.0107(8)
-16

C

第 2 题(2 分)目然界中,碳除了有 2 种稳定 同位素 12C 和 13C 外, 还有一种半衰期很长的 放射性同位素 C,丰度也十分稳定,如下表
14

13 14

C 13.003354826(17)

C 14.003241982(27) 1.2×10

(大气中)

所示(注:数据后括号里的数字是最后一位或两位的精确度,14C 只提供了大气丰度,地壳中的 含量小于表中数据): 试问: 为什么通常碳的相对原子质量只是其稳定同位素的加权平均值而不将 14C 也加入取平 均值? 第 3 题(4 分)最近报道在-100℃的低温下合成了化合物 X,元素分析得出其分子式为 C5H4, 红外光谱和核磁共振表明其分子中的氢原子的化学环境没有区别, 而碳的化学环境却有 2 种, 而 且,分子中既有 C-C 单键,又有 C=C 双键。温度升高将迅速分解。X 的结构式是: 第 4 题(10 分)去年报道,在-55℃令 XeF4(A)和 C6F5BF2(B)化合,得一离子化合物(C), 测得 Xe 的质量分数为 31%,阴离子为四氟硼酸根离子,阳离子结构中有 B 的苯环。C 是首例有 机氙(IV)化合物,-20℃以下稳定。C 为强氟化剂和强氧化剂,如与碘反应得到五氟化碘,放 出氙,同时得到 B。 4-1 写出 C 的化学式,正负离子应分开写。答: 4-2 根据什么结构特征把 C 归为有机氙比合物?答: 4-3 写出 C 的合成反应方程式。答: 4-4 写出 C 和碘的反应。答: 4-5 画出五氟化碘分子的立体结构: 第 5 题(5 分)今年 3 月发现硼化镁在 39K 呈超导性,可能是人类对超导认识的新里程碑。在硼 化镁晶体的理想模型中,镁原子和硼原子是分层排布的,像维夫饼干,一层镁一层硼地相间,图 5-1 是该晶体微观空间中取出的部分原子沿 C 轴方向的投影,白球是镁原子投影,黑球是硼原 子投影,图中的硼原子和镁原子投影在同一平面上。 5-1 由图 5-1 可确定硼化镁的化学式为: 。 5-2 在图 5-l 右边的方框里画出硼化镁的一个晶胞的透视图,标出该晶胞内面、棱、顶角上可 能存在的所有硼原子和镁原子(镁原子用大白球,硼原子用小黑球表示)。

a=b≠c,c 轴向上

图 5-1 硼化镁的晶体结构示意图

第 6 题(8 分)Mn2 离子是 KMnO4 溶液氧化 H2C2O4 的催化剂。有人提出该反应的历程为: Mn(Ⅶ) Mn(Ⅵ) Mn(Ⅳ) Mn(Ⅲ) Mn(C2O4)n3
-2n



Mn2 +CO2



请设计 2 个实验方案来验证这个历程是可信的 (无须给出实验装置, 无须指出选用的具体试 剂,只需给出设计思想)。 第 7 题(10 分)某不活泼金属 X 在氯气中燃烧的产物 Y 溶于盐酸得黄色溶液,蒸发结晶,得到 黄色晶体 Z,其中 X 的质量分数为 50%。在 500mL 浓度为 0.10mol/L 的 Y 水溶液中投入锌片, 反应结束时固体的质量比反应前增加 4.95g。 X是 ;Y 是 ;Z 是 。推理过程如下: 第 8 题(11 分)新药麦米诺的合成路线如下: 8-1 确定 B、C、D 的结构式(填入方框)。 8-2 给出 B 和 C 的系统命名:B 为 是: 第 9 题(10 分)1997 年 BHC 公司因改进常用药布洛芬的合成路线获得美国绿色化学挑战奖: 旧合成路线: 新合成路线: 9-1 写出 A、B、C、D 的结构式(填入方框内)。 9-2 布洛芬的系统命名为: 。
+ -

;C 为:



8-3 CH3SH 在常温常压下的物理状态最可能是

(填气或液或固),作出以上判断的理由

第 10 题(5 分)最近有人用一种称为“超酸”的化合物 H(CB11H6Cl6) 和 C60 反应,使 C60 获得 一个质子,得到一种新型离于化合物[HC60] [CB11H6CL6] 。回答如下问题: 10-1 以上反应看起来很陌生,但反应类型上却可以跟中学化学课本中的一个化学反应相比拟, 后者是:
- -



10-2 上述阴离子[CB11H6Cl6] 的结构可以跟图 10-1 的硼二十面体相比拟,也是一个闭合的纳 米笼,而且,[CB11H6Cl6] 离子有如下结构特征:它有一根轴穿过笼心,依据这根轴旋转 360°/5 的度数, 不能察觉是否旋转过。 请在图 10-1 右边的图上添加原子 (用元素符号表示) 和短线 (表 示化学键)画出上述阴离子。 第 11 题(10 分)研究离子晶体,常考察以一个离子为中心时,其周围不同距离的离子对它的吸 引或排斥的静电作用力。设氯化钠晶体中钠离子跟离它最近的氯离子之间的距离为 d,以钠离子 为中心,则: 11-1 第二层离子有 个,离中心离子的距离为
+ -

d,它们是

离子。

11-2 已知在晶体中 Na 离子的半径为 116pm,Cl 离子的半径为 167pm,它们在晶体中是紧密 接触的。求离子占据整个晶体空间的百分数。 11-3 纳米材料的表面原子占总原子数的比例极大, 这是它的许多特殊性质的原因, 假设某氯化 钠纳米颗粒的大小和形状恰等于氯化钠晶胞的大小和形状, 求这种纳米颗粒的表面原子占总原子 数的百分比。 11-4 假设某氯化钠颗粒形状为立方体,边长为氯化钠晶胞边长的 10 倍,试估算表面原子占总 原子数的百分比。 第 12 题(11 分)设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是对世纪最富有挑战性的课题之一。 最近有人制造了一种燃料电池,一个电极通入空气,另一电极通入汽油蒸气,电池的电解质 是掺杂了 Y2O3 的 ZrO2 晶体,它在高温下能传导 O2 离子。回答如下问题: 12-1 以丁烷代表汽油,这个电池放电时发生的化学反应的化学方程式是: 12-2 这个电池的正极发生的反应是: 负极发生的反应是:


固体电解质里的 O2 的移动方向是: 向外电路释放电子的电极是: 12-3 人们追求燃料电池氧化汽油而不在内燃机里燃烧汽油产生动力的主要原因是: 12-4 你认为在 ZrO2 晶体里掺杂 Y2O3 用 Y3 代替晶体里部分的 Zr4 对提高固体电解质的导电能 力会起什么作用?其可能的原因是什么? 答: 12-5 汽油燃料电池最大的障碍是氧化反应不完全产生 堵塞电极的气体通道,有人估计, 完全避免这种副反应至少还需 10 年时间,正是新一代化学家的历史使命。 第 13 题(10 分)溴酸钾测定苯酚纯度的步骤如下:称取含苯酚 0.6000 g 的试样溶于 2000mL 0.1250mol/L KBrO3 溶液(该溶液含过量的 KBr),加酸酸化。放置,待反应完全后加入 KI,而 后用 0.1050mol/L Na2S2O3 溶液滴定生成的碘,滴定终点为 20.00mL。计算试样中苯酚的质最分 数。 【参考答案】 参考答案】 第 1 题(4 分)ClO 和 Cl 。(各 1 分) 酸性(1 分) ClO +Cl +2H+=Cl2+H2O。(1 分) (注:不写离子方程式或不配平不得分。) 第 2 题(2 分)14C 不加权不会影响计算结果的有效数字,因其丰度太低了。(2 分) (注:涉及有效数字的任何表述均得满分,未涉及有效数字的不得分,如答:放射性元素不应加 权求取相对原子质量之类。) 第 3 题(4 分)(注:平面投影图也按满分计。) 第 4 题(10 分)4-1 C6F5XeF2+BF4–(1 分) 4-2 分子中有 C—Xe 键。(2 分)(答:“分子中存在氙和有机基团”得 1 分) 4-3 XeF4 + C6F5BF2 = C6F5XeF2+BF4–(1 分)(注:用“→”代替“=”不扣分;离子加方括号 得分相同;画出五氟代苯基结构不加分)。 4-4 5C6F5XeF2+BF4 +2I2=4IF5+5Xe+5C6F5BF2(2 分)(注:不配平不得分) 4-5(4 分)(注:4-5 的答案需应用初赛基本要求规定的 VSEPR 模型才能得出。只要正确表述 出四方锥体都得满分,表述形式不限。) 第 5 题(5 分)5-1 MgB2 (2 分)(注:给出最简式才得分) 或 a = b ≠ c,c 轴向上(3 分) 5-2 (注:任何能准确表达出 Mg︰B=1︰2 的晶胞都得满分,但所取晶胞应满足晶胞是晶体微 观空间基本平移单位的定义,例如晶胞的顶角应完全相同等。) 第 6 题(8 分)1.对比实验:其一的草酸溶液中加 Mn2+离子,另一不加。在滴加 KMnO4 溶液 时,加 Mn2+者反应速率快。(4 分)2.寻找一种试剂能与 Mn(VI)、Mn(IV)或 Mn(III)生成配合 物或难溶物;加入这种试剂,反应速率变慢。(4 分)(注:表述形式不限。其他设计思想也可 以,只要有道理都可得分。) 第 7 题(10 分) X 是 Au(2 分);Y 是 AuCl3(2 分);Z 是 HAuCl4·3H2O(2 分) 要点 1:X 为不活泼金属,设为一种重金属, 但熟悉的金属或者其氯化物与锌的置换反应得到的产 物的质量太小,或者其水溶液颜色不合题意, 均不合适, 经诸如此类的排他法假设 X 为金,由此 Y=AuCl3,则置换反应的计算结果为:2AuCl3+3Zn=3ZnCl2+2Au;反应得到 Au 的质量= 0.100mol/L×0.500L×197g/mol=9.85g;反应消耗 Zn 的质量=0.100mol/L×0.500L×65.39g/mol ×3/2=4.90g ;反应后得到的固体质量增重:9.85g-4.90g=4.95g (2 分);要点 2:由 AuCl3 溶 于盐酸得到的黄色晶体中 Au 的含量占 50%, 而 AuCl3 中 Au 的含量达 65%, 可见 Z 不是 AuCl3, 假 设为配合物 HAuCl4, 含 Au 58%, 仍大于 50%, 故假设它是水合物, 则可求得:HAuCl4·3H2O 的 摩尔质量为 393.8 其中 Au 的含量为 197/394=50%。 分) 其他推理过程, (2 只要合理, 也得满分。
- - - - — + +



第 8 题(11 分) 8-1B: C: D: (各 2 分,共 6 分) 8-2 B 为 3-硫甲基-1,2-环氧丙烷或甲基-2,3 环氧丙基硫醚;C 为:2-羟基-3-硫甲基-丙肼 或 1-硫甲基-3-肼基-2-丙醇 (各 2 分,共 4 分) 8-3 气, H2O 和 CH3OH 为液态主要是由于存在分子间氢键, H2S 无氢键而呈气态, CH3SH 也无 氢键, 故也可能也是气态。(1 分)(其他理由只要合理均得满分。注:其沸点仅 6oC; 常识: 它是 燃气的添味剂, 其恶臭可导致燃气泄露的警觉。本题的答案可用倒推法得出,只需有取代、缩合 等概念而无须预先具备本题涉及的具体反应的知识)。 第 9 题(10 分)9-1 A、 B、 C、 D、 的结构式(填入方框内)。(各 2 分;共 8 分。不标出非 甲基碳上的 H 不扣分。注:本题除第 1 个反应外,其他反应可用倒推法得出答案。) 9-2 布洛芬系统命名: 2-[对-异丁苯基]-丙酸 或 2-[4’-(3’’-甲基丙基)-苯基]-丙酸(2 分) 第 10 题(5 分)NH3+HCl = NH4Cl (2 分) (注:答其他非质子转移的任何“化合反应”得 1 分)。 (3 分) 参考图形略。(注:硼上氢氯互换如参考图形仍按正确论,但上下的 C、B 分别连接 H 和 Cl,不允许互换。) 第 11 题(10 分)12, ,钠 (各 1 分,总 3 分) 11-2 晶胞体积 V=[2×(116pm+167pm)]3=181×106pm3 离子体积 v=4x (4/3)π(116pm)3+4x (4/3)π(167pm)3=104×106 pm3 v/V=57.5% (1 分)(有效数字错误扣 1 分,V 和 v 的计算结果 可取 4 位,其中最后 1 位为保留数字,不扣分。) 11-3 表面原子为 8(顶角)+6(面心) +12(棱中心)=26;总原子数为 8(顶角)+6(面心)+12(棱中 心)+1(体心)=27;表面原子占总原子数 26/27×100%=96 %(1 分) 注:26 和 27 均为整数值,比值 26/27 是循环小数 0.962, 取多少位小数需根据实际应用而定, 本 题未明确应用场合,无论应试者给出多少位数字都应按正确结果论。 11-4 计算分两个步骤:步骤一:计算表面原子数。可用 n=2、3 的晶胞聚合体建立模型,得出 计算公式,用以计算 n=10。例如,计算公式为: [8]+[(n-1)×12]+[n×12]+[(n-1)2×6]+[n2x6]+[(n-1)×n×2×6] 顶角 棱上棱交点 棱上棱心 面上棱交点 面上面心 n=10,表面原子总数为 2402(2 分) 步骤二:计算晶胞聚合体总原子数:n3×8+[8] ×7/8+[(n-1)×12]×3/4+[n×12]×3/4+ [(n-1)2×6]/2+[n2×6]/2+[(n-1)×n×2×6]/2=8000+7+81+90+243+300+540=9261(2 分) 表面原子占总原子数的百分数: (2402/9261)×100%=26% (1 分) (总 5 分) (注:本题计算较复杂,若应试者用其他方法估算得出的数值在 26% 左右 2 个百分点以内可得 3 分,3 个百分点以内可得 2 分,其估算公式可不同于标准答案,但其运算应无误。本题要求作 估算,故标准答案仅取整数,取更多位数不扣分。) 第 12 题(11 分)12-1 2C4H10+13O2=8 CO2+10H2O (1 分) (必须配平; 所有系数除 2 等方程式均应按正确论。) 12-2 O2+4e=2 O2– (2 分)(O2 取其他系数且方程式配平也给满分。) C4H10+13O2– –26e=4 CO2+5 H2O(2 分)(系数加倍也满分。) 向负极移动;(1 分;答向阳极移动或向通入汽油蒸气的电极移动也得满分。) 负极。(1 分;答阳极或通入汽油蒸气的电极也得满分) 12-3 燃料电池具有较高的能量利用率。(2 分)(答内燃机能量利用率较低也满分;用热力学 第二定律解释等,得分相同。) 12-4 为维持电荷平衡, 晶体中的 O2–将减少(或导致 O2–缺陷)从而使 O2–得以在电场作用下向负极 (阳极)移动 。(1 分)(表述不限,要点是:掺杂晶体中的 O2–比纯 ZrO2 晶体的少。) 面上棱心

12-5 碳(或炭粒等) (1 分) 第 13 题(10 分) KBrO3(1mol) ~ 3Br2(3mol) ~ C6H5OH(1mol) ~ 6S2O32–(6mol); (10 分) 0.1250 mol/L×0.02000 L – 0.1050 mol/L×0.02000L/6=2.150×10–3 mol (2.150×10–3mol/L×94.11g/mol/0.6000g)×100%=33.72 % 2 个算式若是正确的但运算出错可各得 2 分。 若利用化学方程式计算,需列出 4 个化学方程式,方程式正确可各得 1 分。 本题的有效数字为 4 位。若最后结果的有效数字错误扣 1 分。


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