第23届国际化学奥林匹克竞赛理论试题-掌门1对1.pdf

第 届国际化学奥林匹克竞赛试题 理论部分 沈松源段连运 圣 用适当的公式 通过计算 解 释 下列事 实 要求 必 须用数 据 证明 你的每个结 论是 合 理的 假定 所 谓 溶 解 一词是指 在 时在 溶 液 中 溶解 硫 化 物 哟 十 不与 一形 成 稳定 的 络 合 物 可 溶解在浓 度 为 一 的任何无络 合性 无氧化性的一元强酸中 不溶于 一 但溶 于 一 所 需常数 标 准氧化 还原 电势 百 止 二一 刀 二 酸 的离解常数 一 溶 度积 一 一 时在水中的溶 解度 一 一 一 一飞 一 一 一 具有 一 一 结构的 化合 物 与 在 强碱 溶液 中反应 碘仿反 应 十 相对原子量 二 二 某纯 聚 合物犬经 分 析后 知 含 为 含 为 它在稀溶液中分 别 与澳和臭氧反 应 灭热 降解生成挥发性液体 收率为 的沸点 为 含 为 含 为 还生成许多高沸点产物 其 中 有些 来 自 的裂解 有 些 来 自 的狄耳 斯一阿 德耳型环化作用 一 一 手 犷的蒸汽 密度为 氢的 倍 与嗅 的反应产物 含 质 量百 分数 经 臭氧分 解后再进 行温 和反应 生 成刀和 两产 物 其摩尔数之比刀 二 只有化合物 有碘仿反应 确 定 的分 子式和摩 尔质 量 写 出犷 月和 的结构式 写 出犷与 的反应 方程式 克尤在 催化氢 化 中消耗了 犬先臭氧分解 接着温和 还原 生 成 化合 物 含 请写出 的分 子式及无的 不饱 和度 化 合物 与费林氏 溶 液进行正反 应 即有正结果的反应 的温 和 氧化生成酸 用 水溶液滴定 溶 液 以酚酞作指 示 剂 中和 了 在碘仿反应中 可 生成 碘仿 另外 碱 性 滤液 酸化后 生成 化合物万 求 化合 物 的摩 尔质 量 分 子 中有 什么官能团 当加 热时 化合 物 很容 易 脱水 形 成声 当用过 量 酸化了的乙醇回流时 和 生成 同一化合 物 写出化 合物 和 的结 构 式 写出这些变化 的反应历程 图 不 必 配平方程式 以 有 规立构 的 异构形式 存 在 请提出立体异 构类型 写 出化合 物 的两 个可能的立体异构体结构的一部 分 每一异构 体的结构至少含 个单元 将金 属复盖 上一 层 它的难 溶盐后 浸 入 含有该难溶盐 阴离子 的溶 液 便构成了电极 一 和 一 都 属 于 这类电极 由这 些 电极 组成可 逆 电池 一 其标准 为 dE 温度 系数为 一 并 二 3 3 一 V 入 一 1 写 出两电极的 电极反应方程式及 总 的 电池 反应 方程式 2 计算吉布斯 Gi b b s 自由 能变化 即在 2 9 8K 时 电池 中所 发生 的过程的刀G 说明刀G 的正负号意味着什么 3 计算电池反 应过程 的 嫡 变刀S和烩 二 d E 变 H 筋 n F 盖笋介 K 4 已知 电极Ag Ag 十 的标准 电极 电势 E 0 799 l A g CI的溶度 积KsP Aoel 1 7sxlo 一 清导 出表示E OAg Ag e l e l 一 和 E OA g A g 十 之间的关系的公式 并计算电极 Ag A g CI C l 一 的标准电极 电势 5 仿照 4 中 同样 的 推论 计 算 Hg C 12的溶度积 已知 电极H g Hg 22 的标 准 电极 电势E 二 o 79s V F 964s7 C m o l 一 尸 8 314 J m o l 一 K 一 T 29s K 4 氢原子的稳态 能量 由下式给 出 E 一 1 1 一 气J 是 主量子数 n 1 计算 所有计算结果都要带 单 位 a 第 1激发态 n 2 和基态 n l 之 间的能量差 b 第 6 激发态 n 7 和基 态 二 z 之间的能量 差 2 上 述 赖 曼 Lym an 系跃 迁 处于 什么光谱范围 3 解释 由L 丁m a n 系光谱的第 1 条 线及第6条 线产生的光 子 能否使 a 处于基态 的 另外的氢 原子 电离 b 晶体 中的铜原 子 电离 铜 的电子功 函数为由 二 7 4 4 x 1 0 一 J 4 若 由七了m a 系光 谱的第 l 条 谱 线 和第6条谱 线产生 的光子使 铜 晶体 电离 计算 这两 种情况中从铜晶体发射出的 电子 的 德布罗 意 deB rogli 波 长 有关 常数 普朗克 常 数h 二 6 6 2 56 1 0 一 J 5 电子质量从 一 1 0o lx川 一 k g 光 速e 2 99792火1 0 m s 一 5 烃 类 的许多 卤素衍生 物广泛用于工 业 也用 作农业杀 虫 h l J 这些 化合物剧毒 有 弹性 它 们的棍合物灭可用作变压器 的绝缘 液 换 热 器的介 质 塑料 的增塑剂以及杀虫剂的原 料和 溶 剂 这些 物质是 很有用 的 但毒性太大 在 实际使用 中 少 量X确实浸入 并毒 化 了 环境 这 些卤素衍 生 物因其持久性而逐渐蓄集在蓄水 池 中形成沉淀 它 也蓄集在有生命的机体中 例如鱼类和鸟类体中 影 响机体的某些 功能 目前 如何从环境 中除去这些毒素 已成为人 们重要的研 究课 题 1 关于烃 让o 2 5 mo l 烃刀通过铁管中的浮 石 加 热 到约10 0 0 1交 得化 合 物B 收 率 为 8 0 即 15 刁 幼 和氢气2 4O L 295K 1 0 2 kP a 小氢 气只在主反应 中生成 2 关于产物 在确 定 产物C D 百 F和G的结 构时应 考虑 时在 化合物召中有 一 个弱活 化 效 应 K 邻位多K对 位 b 环中第一个卤原子 的效应也有 很强 的选择性 K 对 位多K邻位 c 化合物D和F的构象之一具有 对 称 中心 在壑塑迪些迫 熏箕缪舆卿奥 二 a 应用式 X Y 确定同位素离子 峰 的数目和相对 强度 式 中 n二 分 子 中元素的 原 子数 X y 有关同位素的相对丰度 例 如 在不包括 氢的情况下乙烷 的n 2 该 分子 有两种同位素 即 C 和 仗二 Y和y分 别为 98 8 9 和1 1 在质 谱 中应观 察 到下 列三个 不 同强度的同位素 峰 M 刀 98 89 2 毕 臀 入 2 一 一 号 b 化合物E的 质谱 中碳和氢同 位素 的 贡 献可 忽 咯不计 c 卤素 同位 素 的天然丰度 F 1 0 0 CI 二 7 5 53 7 CI 二 2 4 4 7 7 B r 50 54 B r二 4 9 4 6 I 1 00 少石 3 关于化合物B的反应 结 果 化合物B与一种 卤素反应 在路易斯 酸 的 催化下 生成 卤素衍生物C D E F 和G 从C到 分子中所含的卤原子数一 个比一个大 逐个递增 1 从化 合物C到F 只倾向 出 现一个可能的异 构体 见 2 而化合 物C 无此 倾向 性 其三种 同位素G G 和 G 在混 合 物 中能 找到 从理论上 说 所 有这 些 化 合物都能 显示 立 体异构 旋光 异 构 现象 对化合 物C到F来 说 就 无 关紧要 因为它 们 容易 外消旋 但化 合 物G 到G 外消旋变得困难 尤以G 为最 困难 在化 合物E的质谱上 观 察 到 三 个同位素 峰 其相对强度比约为 1 1 3 其他峰 因 强度 低而 看不见 4 回答下列问题 卜 写出化合物A B C D 百 F G G 和G 3的结构 式 b 确定其中含有 哪种 卤素 对 你 的 选 择作 出说 明 c 画出甲 0 兀 2 二和3兀 2时 化合 物 D 的旋 转异构体的立体结构式 甲为双面夹角 或扭转角 华 二 O 为最大能 量构型 能量百随角度甲变化 为化 合 物C和D画出 E随甲的变化 示意 图 d 按外 消旋难度 渐增的顺序 写出 三 个异构化合 物G 2和 G 3 并说 明理由 e 画出化合 物G 的 对映体 的立体结 构 f 提出一个化学反应或 生 物方法 来破 坏 象X那样 的 化 合物 6 接触法 制硫酸是先 把5 0 催 化氧 化成 5 0 然 后用水和 浓 硫酸吸 收 得到的5 0 某 L厂催化塔 出口气体 中 含N O 少量 5 0 和 1 0 体积 的5 0 把 出口气 体送进 吸 收塔 使5 0 转 化成05 质 量 的H ZSO 和 发烟H 50 是H 5 0 和 S O J的混合 物 其中含2 0 质 量 的5 0 3 1 设上 述工 厂只生 产 发 烟H ZS O a 算出10 0 om 出口气体 所需 要 的水 的 质量 温度为273K 压 力为101 3kPa b 算出每l000m 出口气 体在上述 条 件 下生产的发烟 硫 酸 的质量 2 设上 述工厂只生产9 8 的H ZSO a 少算出每1000m 出口气体所需要的水 的质量 算 出 I司时生产的95多 百H 5 0 的 质 量 3 设上 述工厂同时生 产 发烟H ZSO4和 98 H ZS O 两种产物 的 质 量比二 n 阴 1 和脚 2分 别是 发 烟H 25 0 和 9 8 H ZS O4 的 质量 a 导出数学表达式 用来描 述每I000m 出口气体所 消耗 的水的质量 同上 述 二 间 关系 b 说 明问题 l 和 2 中得到的有 关数据是否符 合你导 出 的数学表 达 式 参考答案见下期 上接第3 6页 腐蚀较 重 3 方法上 当即将三者砸碎 磨细混匀 当即使用 也可 密 闭存 放 久不失效 4 效果 加热时的产气速 度 以12 5m l 的集气瓶 为准 两 分钟可 收集到三瓶 产气 量 可达 理论产气量的7 8一8 4 5 如果要使制备实验后的试管不发毛受 损 可 将N aO H 改 用成Ba O H 2 效果 极 佳 只是B a O H 是相 当昂贵 的 试剂 因而 只有研 究问题 的意义 没有推广的价值 实验部分 1 酸电离平 衡常数 的测 定 现有 a 某一 元弱 酸溶液 其浓度约 为 0 lm o l L 一 b N a 0H 溶液 其浓度约为o lm 卜 L 一 c 指示剂 甲基橙 酚酞 d 仪器 滴定管 25 ml 移 液管 已校正 20m l 锥形瓶 卜 ZOOm l 2 个 p H 计 由 实 验室工 作人 员为参赛者测定 每人只测一次 请回答 1 写出一元弱 酸H A的 电离平衡常数 表达式 2 说明选 用某指示剂 的理 由 3 列出滴定结果 犷l 二 V 二 犷 3二 犷平均 二 4 写出由工作人员为 你测 定的pH 5 表明你 是 如何 计算弱酸H A的pK 值的 写 出该 值 2 络离子C NH 3 十 和Z n N H 3 的稳定平衡常数的 测定 1 实验室提 供 下列物 品 l 两个干 净烧 杯 分 别配有铜电极和 锌电极 2 三个 试 剂瓶 分别盛有C uS O 月 水 溶液 Z n SO 水溶 液和N H H Z O 3 一个带有 滤纸条的烧杯 以制 备盐 桥 4 盛K N O 水 溶液 的烧 杯 5 三支移液管 分 别 移 取C uS O Z n SO 通和 N H H O 溶液 6 数 字伏特表一只 用 于测 定E M F 7 红 蓝导 线 以把 电池的 电极和数 字伏特表连 起 来 8 用于移取 液体的橡皮球 吸球 9 有标 记 的玻璃棒 1 实验 方法 l 组 装丹尼耳 I an el l 电 池 见 图 1 片片片片片片一一 一 一 l l l 了 一 百 一冬以 以 图 丹尼耳电池 向 含 有铜电 极 的 干 净 烧 杯 注入2 0 m C uS O 溶液 向 含 有 锌 电极 的干净烧杯注 入 20m1Z 二 50 溶 液 以得 到C u C uZ 和Z n zn 半 电池 用有标 记的移液管 用K N O 溶液 润湿滤 纸条 把滤纸 条放 在 玻璃棒 上 然后浸入K N O 溶 液 把滤纸条 两 端分别浸 入C u5 O 和Zn S O 溶液 见图2 和 将 引线接到电极上 红 线 铜电极 蓝线 锌 电极 2 丹尼耳 D anlell 电池 的E M F测 定 百 将 作了标记的 玻 璃 棒 插 入C uS O 和 Z n SO 溶液 红 C uSO 蓝 一 Z n SO 用 玻璃棒轻 轻搅拌溶 液后 整个 实验过程中都把 玻璃棒留在溶液 中 把 红 线接到伏特计的正 极 Hl 把 蓝线接到负极上 L O 开始测 量E M F 当E M F值稳定在 士 0 0 0 1伏 时 读 出并 记下 测定 结 果 刀A 走走走走走走走走走丈丈二二澎 澎澎澎澎澎 乃 卜尸 C 一一年了 了了 尸尸 二今一 一 3 向C 功C uZ 电极 添加 络 合 剂 N日 3 溶 液 后 测量电池的E M F值 E 向C uS O 溶液 加 入2 0 ml氨 水溶 液 用 移 液 管 用一直 浸泡 在C uS O 溶 液 中的 玻 璃 棒 轻 轻搅拌该 溶液 直 到 溶液 变成 透 明的暗蓝色 液体 玻 璃棒 仍 留在 溶 液 中 按 步骤2所 描述 的方 法测量E M F 读 出并记下测量结 果 百 4 向Z n Z n 十 电极 添加络合 剂 氨 水 溶 液 后 测 量C电池 的E M F E C 向Z l50 今溶液 中加入2 0 m 氨水 按步骤 3 描述的方法测 量 电池 的E M F 记下结 果 E 注意 只能 用橡 皮球 移取N H H O 溶 液 见附图中的使用说明 1 理 论分析 l 用上述电池 的E M卜 计算每个 电极 的电势 能斯 脱 N ern s t 方程 把 电极 电 势和离子 的浓度联系起来 计算中需 用 的物 化常数 有气体 常数尸 二 8 31 4 m o l 一 K 一 法 拉 弟常 数F 96峨 s 7C n飞0 1 一 2 瓶 上 标出的C uS O Z n SO 及 N H 日 O 的浓 度 单位 是mo l k g 一 每公 斤 溶液多少摩尔 因此 必 须换算成m 1 L 一 溶液的密 度 是温 度 的函数 C uS O 溶 液 deuso4 1 0923 kg L 一 一 o 0002700 k g L 一 K 一 x T Z n 50 溶 液 dznsoJ 1 0993 k红 I一 一 0 0 0 0 2 9 0 0 k g L 一 K 一 义 7 NH H 2 0 d N H 3 H Z o 1 0740 k g L 一 一 0 0 02 8 0 kg L 一 K 一 X T T 究竟是多 少绝 对温 度 可看 黑板 或问工 作人员 3 为了把 浓度c l 换算成离 子活 度a i 需 用离 一子活 度系数j z 此三量的 关系式是a i f i 丫 c l 一些 离子的 f t 值 见 答案表 过 为 简 化计 算 应假定 当添加过 量 的络 合剂 N H 日 0 后 在溶液 中只有 C 飞 2 a q 和Z n 斗 a 刁 C u NH 3 和 Z n N H 四种 离子存在 5 两个半电池 间存在 的扩散电势 在 使 用盐 桥的情况下 实际上可 忽略不计 W 回答下列问题 1 计 算 引入 络合 剂 N H 3 之前 丹 尼耳 电池 中的C uZ书 和2 02斗的 浓度 计算丹尼耳 电池的标 准EMF值 刀E 用能斯脱方 程 3 计算每个 半 电池 中氨