第20届国际化学奥林匹克竞赛理论试题.doc

1988年第20届国际化学奥林匹克竞赛理论试题及答案 芬兰埃斯波 7月29日1988年第20届国际化学奥林匹克竞赛理论试题理论竞赛进行5小时，在题目的每一节后面的括号内标明该节总分数。已知下列常数和相对原子质量：R=8.314JK-1mol-11.00大气压(atm)=101.3千帕(kPa)相对原子质量为：H：1.0 C：12.0 N：14.0O：16.0 F：19.0 S：32.0Cl：35.5 Br：79.9 Ag：107.9同位素丰度如下表所示。最常见的同位素的丰度都当做100来表示。元素质量丰度质量相对丰度质量相对丰度HCNOPSClBr112141631323579100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.02131517330.0151.10.370.040.080183437810.204.432.598.01在我们这个三维空间世界里的周期系是根据4个量子数建立的，即，n=1.2，3，；1=0，1n1；m1=1，2，1；ms=。如果我们搬到一个想象的“平面世界”去，那是一个二维世界，那里的周期系是根据三个量子数建立的，即n=1，2，3；m=0，1，2， (n-1)；这个“平面世界”里的m所代表的意义，相当于三维世界中l和ml二者的作用(例如：用它也能表示s、p、d能级)。不过我们在普通三维世界中的基本原理和方法对这个二维的“平面世界”是适用的，下面几个问题都与这个“平面世界”有关。a) 画出“平面世界”周期表前四个周期。在其中按照核电荷标明原子序数，并用原子序数(Z)当做元素符号。写出每一元素的电子构型。b) 现在研究n3的各元素。指出与“平面世界”中每种元素相对应的我们三维空间中的各种元素的符号，根据这种相似性，你估计在常温常压下，哪些“二维世界”单质是固体，哪些是液体，哪些是气体。c) 画出n2各元素的杂化轨道。在“平面世界”中的有机化学是以哪一种元素为基础的(用原子序数作元素符号)？指出乙烷、乙烯和环已烷分别与在“平面世界”中的什么化合物对应。在“平面世界”中什么样的芳香化合物可能存在？d) 在这个“平面世界”中，有哪些规则和三维世界中所用的8电子和18电子规则相当？e) 画图说明n=2的几个“平面世界”元素的第一电离能的变化趋势。在“平面世界”周期表中，画出元素的电负性增长方向。f) 画出“平面世界”中n=2的各元素的电中性、同核双原子分子的分子轨道能级图。其中哪些分子是稳定的？g) n=2的各元素分别与最轻的元素(Z=1)形成简单的二元化合物。用原子序数做为元素符号，画出它们的Lewis结构式，并画出它们的几何构型，指出分别与它们中每一化合物相应的三维世界中的化合物。2单质A与氟以19的摩尔比在室温、高压约为一兆帕(MPa)下混合，加热到900时有三种化合物B、 C和 D形成。它们都是熔点低于150的晶体。测得C中含氟量为36.7(重量)，D中含氟量为46.5(重量)。用无水HOSO2F在75处理 B时，形成化合物 EB+HOSO2FE+HFE为晶体，在0可稳定数周，但在室温只要几天就分解。用X射线衍射研究得到化合物。的电子密度分布。所附电子密度分布图(见下页)。图中两个平面分别标为XY和XZ平面。两张图中的数字反映化合物E中每个原子邻近的电子密度是怎样随空间坐标改变的。图中电子密度每一最高点就是每个原子的位置，而数值大约与该原子的电子数成比例。在这些图中都标示了直角坐标。a) 把电子密度几乎相等的位点连接起来，画出在最高点周围的等高曲线。在每个最高点处标明E中各原子。b) 为确证A，如下法测定A的相对原子量：用过量Hg处理450.0mgC，放出 5325ml的 A(25，101.0 kPa下)。计算A的相对原子量。c) 指出 A、 B、 C、 D、 E各为何物。d) 根据价电子层电子互斥理论(VSEPR)，B和C分子的几何构型各是什么？又根据前面两张电子密度图确定E的分子几何构型。使开始得到的B、C和D的混合物水解。B水解时放出A和O2，并形成氟化氢水溶液。C水解放出A及O2(摩尔比为43)并形成含有氧化物AO3和氟化氢的水溶液。e) 写出三个水解作用的反应方程式。f) 把B、C、D混合物完全水解以测定组成。用水处理一份混合物样品时，放出60.2ml气体(在290K和100kPa下测定的)，这一气体中含有O240.0(体积)。用0.100molL-1FeSO4水溶液滴定以测定水中AO3含量，共用36.0ml FeSO4溶液。滴定时Fe2+被氧化成Fe3+，AO3还原成A计算原始B、C、D、混合物的组成(以摩尔表示)。3一氧化碳是汽车造成的最严重的环境污染之一。为了开发一些可把汽车尾气中的CO有效地转化成CO2的催化剂，正在进行一项研究。设想有一辆标准的家庭用小汽车。它的引擎有4个气缸，气缸的总容积为1600ml，在以每小时90公里(km/h)速度行驶时，耗油量为7.0L/100km，在一秒钟里，每一气缸内进行25次燃烧循环，并消耗0.400g燃料。若燃料是2，2，4-三甲基戊烷C8H18，气缸的压缩比(指气缸活塞推进和推出时最小体积和最大体积之比)为18。a) 计算汽车引擎所需的空气量m3/s、在气缸体积最大时，气化的燃料和空气进入气缸、直到气缸内压力为101.0kPa。你可以假设输进气缸的燃料和空气都是100.0。已知在空气中含21.0(体积)的O2和79.0(体积)的N2，还假定燃烧时有10.0的碳形成CO，而氮是惰性的。b) 在这以后推进活塞压缩气化燃料和空气直到气缸体积达到最小。这时点火燃烧。计算在燃烧后将要排出但还没有开始膨胀的尾气的组成(体积)和温度(K)。已知下列热力学值，你可以假定生成焓和摩尔热容与温度无关，并可用于温度变化时的近似计算。c) 假定气缸活塞已推出使气体膨胀到气缸最大体积，计算此时刚刚离开气缸的尾气的温度。气体温合物符合理想气体状态方程，并且气缸中压力为200.0kPa。d) 为把CO(g)变成CO2(g)，把尾气通过催化剂层。催化剂的效率用下列方程式表示：其中为离开催化剂层时CO和CO2的摩尔比，而为进入催化剂层之前CO和CO2的摩尔比，V为尾气流速(mol/s)。T为正在进入催化剂层时尾气的温度(假定与刚离开气缸时气体的温度相等)。T0为参考温度(定为373K)。式中k为一常数(3.141s/mol)。计算刚刚离开催化剂层时尾气的组成(体积)。热力学值化合物 Hf(kJ/mol) Cp(J/molK)O2(g) 0.0 29.36N2(g) 0.0 29.13CO(g) -110.53 29.14CO2(g) -395.51 37.11H2O(g) -241.82 33.582，2，4-三甲基戊烷 -187.824a) 溶液中的氯离子浓度可以通过用硝酸银溶液使其沉淀的方法测定。不过所得的沉淀见光时迅速分解成单质银和氯。而氯又可在水溶液中歧化成氯酸根和氯离子。而这样形成的氯离子又与剩余的银离子作用而沉淀。氯酸根离子不能被银离子沉淀。写出上述各反应的配平方程式。氯离子的重量法测定是在银离子过量下进行的。所生成的沉淀中有12(按重量计)被光照分解。指出由于分解造成的误差的正负和大小。b) 设一溶液含两种弱酸，HA和HL。HA和HL的浓度分别为0.020和0.010molL-1。画出浓度对数图(logC对pH)，在图上确定溶液的pH。计算溶液的 pH HA及 HL的酸常数分别为1.010-4及1.010-7molL-1。c) 金属离子M与酸H2L形成一种络合物ML，该络合物的形成常数为K1 。溶液中还含有另一金属子N，它与酸H2L生成络合物NHL。络合物ML的条件形成常数K1有下列关系：其中M=未结合成ML的含M型体的总浓度，L=未结合成ML的含L型体的总浓度。推导出K1用H+和有关K值表示的关系式。K值中除ML的形成常数外，还知道H2L的酸常数Ka1和Ka2以及络合物NHL的形成常数(KNHL)： 还可假定平衡浓度H+和N为已知值。为简单起见略去H+以外各型体的电荷5化合物A是由苯酚制备的。它可被氧化成化合物B用H2SO4把A脱水时，生成化合物C。化合物A可与PBr3作用形成化合物D，在D的质谱图中有一很强的峰，位于m/e 83处(基峰)在m/e 162及164处还有2个分子离子峰。162与164两个峰的强度之比为 1.02。由化合物D可以得到一种含镁的有机化合物E。E与一羰基化合物F在干燥乙醚中反应后，再经水解，形成化合物G。G为一种仲醇，分子式为C8H16O。a) 写出合成G的上述所有步骤，包括画出由A到G的结构式。b) 在A到G中哪些化合物有成对的立体异构体(只指构型不同)？c) 参照试卷开头所给的同位素丰度，提出质谱中的3种离子是什么。6在分析一个石油化工厂附近的海螺以便确定污染物时，用气相色谱-质谱联用方法发现有一种可以为生物体聚集的新污染物X。X的部分质谱图如下。假定X是在电解法制氯时用做电解槽绝缘物的合成橡胶分解后生成的，确定X的结构式，并给出X的名称。有关元素的同位素丰度列在试卷开头。注意m/e为 196、233、268和270的各离子的峰强度很低(图中看不出这些峰)。为简单起见，把含13C的离子的峰都略去了。1988年第20届IChO试题答案1a)b) 三维空间与“平面世界”相应的元素(n3)c) n=2元素的杂化轨道“平面世界”有机化学是以元素5为基础的。“平面世界”中不可能有芳香族化合物。d) “平面世界”中6电子、10电子规则分别和三维空间中8电子、18电子规则相当。e) “平面世界”(n=2)元素的第一电离能(I)变化趋势和电负性增长方向。E)f)g) “平面世界”中n=2元素和最轻元素化合物的路易斯结构、几何构型及三维空间中相应的化合物2a) (见两图)最大：密度 104 S(原子序数16)密度 58 F(原子序数9)密度 52 O(原子序数8)密度 350 Xe(原子序数54)元素A的电子构型：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p6元素A是希有体(Xe)b) AFn+n/2HgA+n/2HgF2nA=2.1710-3molnAF0=Na=2.1710-3molC：已知含F36.7即解得 n=4.0C为AF4=2.1710-3mol解得MA=131.4gmol-1c) A：Xe； B：XeF2； C：XeF4； D：XeF6； E：(XeF) (OSO2F) d) F2Xe F4Xe三角双锥 八面体e)XeF2(g)+H2O(1)Xe(g)+O2(g)+2HF(aq)XeF4(g)+2H2O(1)Xe(g)+O2(g)+XeO3(aq)+4HF(aq)XeF6(g)+3H2O(1)XeO3(aq)+6HF(aq)f)设nXeF2=1，nXeF4=anXeF6=b则nXe=1+nO2=nXeO3=气体摩尔数nG=nXe+nO2=因含O2为40%，则 解得 a=3。=1.0010-3mol6Fe2+XeO3+6H+6Fe3+6H2O+XenXeO3=0.60010-3mol解得 b=0.20摩尔百分组成：XeF2：nXeF2=1.0mol 23.8%XeF4：nXeF4=3.0mol 71.4%XeF6：nXeF6=0.20mol 4.8%3a)C8H18的分子量Mr=114.0考虑一个气缸，每次燃烧循环耗油量，mf=0.400/25=0.0160g其摩尔为：nf=0.0160/114.0=1.40410-4mol气缸容积 V0=4.00 10-4m3，气缸压力 P0= 101.0kPa=101000N m-2，温度 T0=373K(式中G为气体，A为空气)nA=nG-nf=0.0130-1.40410-4=0. 0129mol4个气缸每个都进行了25次燃烧循环，吸入空气的体积=0.396m3m-2b)燃烧后气体组成(以一个气缸进行一次燃烧循环计算)燃烧前：nO2=0.21nA=2.70910-3molnN2=0.79nA=10.19110-3mol0.1C8H18+8.5O28CO+9H2O(10%)0.1C8H18+12.5O28CO2+9H2O(90%)C8H18+12.1O2 0.8CO +7.2CO2+9H2O燃烧前摩尔1.410-4 2.70910-3 0 0 0燃烧后摩尔 0 10.1010-4 1.12310-4 10.1110-4 12.6310-4燃烧后N2为101.9110-4mol=nN2燃烧后气体组成：成份 mol104 N2 101.91 75.0O2 10.10 7.4CO 1.12 0.8CO2 10.11 7.5H2O 12.63 9. 3nG 139.87 100.0 燃烧后的温度H=nf0.8Hf(CO)+7.2Hf(CO2)+9.Hf(H2O)-Hf(C8H18)=1.40410-40.8(-110.53)+7.2(-395.5)+9(-241.82)-(187.82)=-0.6914kJ解得 T=2060Kc)刚刚离开气缸尾气的温度：P2200.0kPa V04.0010-4m3一个气缸释放出气体的摩尔nG=0.01359mold)尾气通过催化剂后的组成四个气缸释出尾气量V=40.01359mol25s-1=1.359mols-1=0.0177=0.0177摩尔比按气缸进行一次燃烧循环计算。催化反应 CO + CO2(四个气缸) 摩尔104催化前 4.48 40.40 40.44催化后 4.48-x 40.40- 40.44+x解得x=3.70经过催化剂后气体组成(按一个燃烧循环计)成份 摩尔104 %N2 407.64=407.64 75.26O2 40.40-=38.55 7.12CO 4.48-x=0.78 0.15CO2 4.44+x=44.14 8.14H2O 50.52=50.52 9.33总计 541.63 100.004a) Ag+(aq)+Cl-(aq)AgCl(s) 2AgCl(s)2Ag(s)+Cl2(g) 3Cl2(g)+3H2OClO3(aq)+5Cl(aq)+6H+(aq)即3Cl2(g)+5Ag+(aq)+3H2OClO3-(aq)+E5AgCl(s)+6H+(aq)设有100gAgCl沉淀，其中12发生分解，即12gAgCl分解。12gAgCl的摩尔：nAgCl=12/14