2001年全国高中学生化学竞赛_决赛_理论试题分析.pdf

年第 期化学教育 年全国高中学生 化学竞赛 决赛 理论试题分析 张灿久雷裕武 湖南师范大学 长沙 第 题工业废渣 的综合利用 解题思路 本题是中学生最熟悉 的框图题 而且告诉一种反应物是 以 则可根据这一信息 顺 藤摸瓜 推 理 出 和 各 种物质的化学式 盐 入 与盐 在水中发生反应 生成一种沉 淀和溶液 并释 出一种气体 被回收得 盐首选最常见的盐 碳酸 盐 它与 反应得碱式碳酸亚铁沉淀和硫酸盐溶液 并释 出 气体 而碱式碳酸亚铁在空气和水参与下发生反应 得到 沉淀和 气体 这与题中反应 信息全相符 接着 锻烧得红色颜料 马 因此 是 残马 是 盐的阳离子是什么 需根据反应 后的框图分析 礴中 月 一 与 盐的阳离子组成新盐 它溶于水 因此进入 反应后的滤液中 与氯化物 发生反应 这也是一种盐与盐反应 生成一种沉淀和溶液 沉淀经干燥得产品 滤液经 蒸发 得产品 由于 是不含氯 的钾盐 说明 中氯元素没有进入 的组成 而进入 了 的组成 因而 是抓化物 题 中又提供 是氮肥的信息 结合 是氯化物 自然想到 是氯化按 不会是硝酸盐或尿素 中的 氏 可能来 自 盐 的阳离子 亦可 能来 自 盐中的阳离子 若为后者 则 也是 氏 使反应 变为 氏 一十 些 呱 十 氏 这 不是通 常意义的化学反应 同时 和 都是氯化钱也不合情理 因此 中 十 来自 盐 而 中的 来自 盐 于是 是 是 礴 是碳酸的钱盐 即 执 它是我国小氮肥厂的主要产品 学生可能答 氏 也视 为正确 实际上 风 试剂并不存在 它是 践 和 氏 氏 的混合物 从框图得知 在反应 中加入 一种有机溶剂 的理 由是为 了使复分解反应进行得比较 完全 它 应该降低优先析出 的产物 的溶解度 是否溶于水 则根据滤液蒸发一部分水之后才能得到 判断 与水是互溶 的均相体系 否则 只需沉降 即可分层达到分离目的 应答分析 此题涉及的知识点都属于竞赛大纲要求的基本知识 题型又不是新题型 按理说参赛学生 都是优秀中学 生 应 该 能够顺 利作答 命题人安排在第 题也有稳定学生情绪 的作用 考试 的结果却出乎意料之外 得分率只有 应答 中除 受 都能正确作答外 其余均 有错答 主要错误有 认为 是 氏 马 玩 珑 等 反应 的产物写 成 反应 未配 平 或欠缺反应条件 以及认 为 是有机溶剂 难溶于水等 这些解答显然都不能与题 中提 供的信息全部相符 还有一种错答认 为 是 这可能是认 为回收 的试剂 应是 溶液 故得 是 但他忽略了题中给出的 是盐类 和 是常见化合物 这一信息 本题涉及的知识水平较低 能较好地考察参赛学 生的发散思维和逻 辑思维能力 第 题大气污染物 的治理 解题思路 本题涉及的知识点是历届竞赛题的传统 内容 仅变换了对象 解题时只要正确的利用相应公式 即可 问是 从热力学角度讨论 在常温常压下分解 的 自发性 此处是利用解离烙而不是标准生成焙求反应焙变 还应注意 题中隐含 的 分解反应的嫡变几乎 为零 需 要利用吉布斯一亥姆霍兹方程求出反应的标准自由能变化来 判断反应的 自发方 向 问是从动力学角度讨论 分解反应 求其活化能 首先求出 和 时单位时间每个活性 中心上的 转化数 然 后制用转化数之比等于速率常数之比 代入 阿仑尼乌斯公式求得反应的活化能 问求一定条件 分解反应的转化 率 则 根据转化率 的含义先求出每分钟通过催化剂转化的 的物质的量及每分钟总共通过的 的物质的量 两者之比即为所求 转化率 间进一步深入到根据反应机理推导速率方程 由于此问解题思路新颖 为降低难度 命题人有意增 加了 利用 的物料平衡 的提示 这样就可以根据机理第一步列出一个速率方程式 利用 的物料平衡列出第二个 方程式 再结合机理 的第三步的平衡关系 列出第三个方程式 联立上述 个方程式就可以得到仅含 及常数 一 和 的总浓 度 的速率方程式 当 仇 很小时 应答分析 此题的得分率 为 在意料之中 主要失分在第 问 相当多的参赛学生受常见题的解题思维 定势影响 没 有注意 活性 中心的总浓度是一定的 这 个条件 而陷入困惑不能自拔 只有 的学 生得了满分 其次一部 分学生在解答 问时没有利用稳含的嫡变条件 只利用焙变符号判断反应的 自发方向 问的错误主要是 有效数字 的错误 虽然在 化 学 教育 年第 期 竞赛大纲中把 有效数字概念 列为第 条 但并没有引起参赛学生的足够重视 化学是一 门以实验为基础的科学 正 确地记 录和处理实验数据也是一种科学方法训练 第 题多核配合物 解题思路 首先 判断进入配合物 的成分来 自两种反应物 氏 和正 丁酸 铜 而溶剂是没有参 与反应的 因为题 中仅指明是惰性有机溶剂 这是命题人有 意地回避 以减少对 学生思维的干扰 其 次正丁酸铜 的正 丁酸根也没有进入配合物 因为波谱信息显示没有甲基 这样进入配合物 的只有 丙二酸根和 共有 种元素 配合物 的元 素分 析只给出 种元素的含量 这就决定了要讨论求解 这是 中学 生在化学计 算题 中经 常遇到的一种解题 方法 并不新鲜 但用在此类题 中却罕见 由 质量百分含量 可以求出 中 讨论 当 中含 个 个丙二酸根 几姚 一 时 与 组成 不符 当 含 个 个 丙二酸根 时 与 组成 相符 仅 有小的偏离 这是允许的 当 含 个 个丙二酸 根时 与 组成不符 由以上讨论可以确定 中含 与丙 二酸根 氏 一 个数之比为 这个比例正 是反 应物之一 中 与丙二酸根 几氏 一 个数 之比 说明此反应物很可 能作为一个 整体进入配合 物 再讨论配 合物 中 核 个数 题 中已明确 中有两 种化学环境的 则至少 是 个 核 这 时它们化学 式应为 氏 计 算其 C 5 9 3 P 7 8 5 与 A 组 成不符 若将配 合物 A 中C y 3 P与 几氏q Z一 数目加倍 这 是 为了维持其个数比为2 1的要求 也即增加一个反应物 Cy 3P 2cu q C C 姚Cq H 分子 同时也增加 了1个C u 核 其化学 式变为 C为p 4C u3 几珑q 2 即 C 7 sH 36C勿O s P 4 其C 61 75 H 9 06 P 8 1 5 与A组 成相符 在 实验误 差 范围内 化学 式中2个Cu 工 l 个c u n 整个配合物呈电中性 若进一步讨论 都不符合A的组成 因此配合物A的化 学式即可确定 为q 8H 1 3 6 Cu 3马P 4 根据两种反应 物的物质的量之比为2 1 及A的化学式 可以写出A的生成反应式 由反应的另一产物是正丁酸 以 及产率只有 7 2 还有未反应的反应 物 都必须除去才能得到A的纯品 于是可以解答 3 间 根据A的红外谱信息提供 的 梭基配位方式及A具有 中心对 称的特征 可以画出A的最 稳定结构 此结 构 中的c u I 为三配 位 C u l l 为四配 位 含有2 个六员鳌环 根据生成配合物B与生成配合物A的反应 同类型 可以写 出B的化学式 进一步根据 B的红 外谱信息提供 的 B 中梭基配 位方式可以写出B的最稳定结构 结 构式 中的C u I 和c u n 均为四配位 含2个六 员赘环 应答分析 根据元素分析和波谱信息推理多核配合物的化学 式和结构式是竞赛的热 点间题 参赛学 生并不陌生 但由于 此题涉及的信息较多 不是按间题依次给出 学 生难于集中 筛选 再 加上解题思维方式较新 因此有 6 4 的参赛学 生推出的 化学式不正确 导致全题得零 分或2分 也使此题的得分率降到0 2 9 有1 7 的学生写出了A的正确化学式 但在推结 构式 时 顾此失彼 没有考虑梭基的配位方式 而失去了两个结构式 的分数 另有1 8 的学生所写结构式不是最 稳定结构 只有1 名学生得 了满 分 应该说 此 题较好地考察了学生的逻辑思维和空间想象能 力 在高分段有较好 的区分 度 第 4 题 固体电解质 解题思路 全题围绕 一 掩I晶体中掩 十 为什么容易发生迁移设计的 通过 1 2 3 间的 铺路 搭桥 考察学生对 未知 领 域的分析推理 能力 1 问 只要把几个二维平面图形前后叠置起来 构成一个三 维立体图形 就 会发现 它与立 方ZnS晶体构 型一样 属于面心立 方点阵 阳阴离子配位数均为4 注意 l 间的离子半径信息是干扰信息 同时为解答 4 问作暗示 2 问寻找 a一 勺I晶体的八面体空隙和四面体空隙数目 当然不能一个个地数 而是利用立方体 的对称性 在立方体 的面心和棱 心各有 1个八面体空隙 共有6x l 2 十 1 2 X l 4 6个八面体空隙 在立方体的1个面上可以找到4个四面体空隙 每相邻的2 个立方体顶点和相邻的2个体心间有一个四面体空隙 所以共有6 X4X I 2二1 2 个四面体空隙 3 问 勺 离子半 径有一 个变化范 围是由于 勺 十 的极化作用和变形性大 决定了它在不同晶体中可以占据不同空隙 进一 步为 4 问解答作暗示 4 问要求学 生发挥想象力 说明掩 十 在 一勺I晶体中容易发生迁移的理 由 在解答前面各问时 就会注意到 一是八面空 隙与四 面体空隙相通 相邻四面体空隙之间通过三角形中心相通 即它们相互 沟通 构成了三维通道 供勺 十 迁移 二是在 Q一掩I晶体 中 勺 十 离子数与空隙数之比为1 9 即三维通道不 拥挤 可以 畅通无阻 三是吨 十 与 I 一 相互极化作用强 使勺 配位数发 生变化 即掩 由八面体空隙 四面体空隙 三角形中心 四面体空隙 迁 移 所需能量低 容易发生迁移 5 间是固体 电解质的一个应用实例 关键是要理 解傀 十 在 原 电池电解质中是 由负极向正极 迁 移的 于是 负极反应为勺 一e 勺 十 此 掩 十 迁移到正极后 发生2戈 十 I 2 时2戈I I 是q 通过A l l3时产 生的 然后扩散到 正极附近 由电池电动势的变化可 以得知q含量的理 由是 由于电动势与I 浓度的对数呈线性关系 与奈氏方程类比 而 I 浓度又正比于 q浓度 应答分析1 此题得分率为0 5 1 在正常范围 内 主要问题有 4 间的理 由没有一名学 生回答完全 这在预料之中 大多 数学生没有深入思考 只回答了其中的一点理 由 个别学 生回答出了2点理 由 这是很可喜的 只有6 2 参赛学生正确地 写 出了 5 问的化学反应 式和电极反应 真正理解了A l l3和固体电解质R bA自 I 在此处的作用 其余学生都未能写出正确的 年第4期化学 教 育 正极反应 许多人将正极反应写成 q 4e 4A g 十 ZA gZo 还有写成 q 4e 4R b 十 ZR玩 3 q l z e 4 川3 十 Z A 1 2 马 1 2 十 Z e 2 1 等 甚至有把正负极得失 电子写反的 大多数学生都只能找出 二掩I晶体中部分八面体空隙和四面体空隙 只有26 学生回答正确 找空隙这种题目并不新鲜 此处仅变换了对象 说明我们的学 生空间想象 能力还有待提高 第 5 题电镀新材料成分的络合滴定 解题思路 首先对分析过程作剖析 找出各主要组分的存在形体的变化 如沉淀 A 应是Ag C I S b m 和S b V 化合物沉 淀 当试样量多时还可能有沸水中溶解不完的PbC眨沉淀 溶液B中应是掩 N 玩 2 十 溶液C 中发生配合物转化反应 反应后 有少量未 转 化的勺 NH 3 2 十 过 量 的 N i c N 42 转 化生成的勺 cN 2 一 和N i N姚 62 十 溶 液 D 中 发生滴定反 应 N i N 凡 6 z 十 被滴定变为 N i梦 一 还有 N i c N 42 一 勺 N 凡 勺 cN 一 以及滴定终 点 时 N iIn 省略 电荷 被滴定变为 N i梦 一 和指示剂等 当对分析过 程有了以上认识后 1 2 间自然可以顺利作答 注意滴定终点 时的反应是H Y 3一 与 N i In 省 略 电荷 之间的反应 EDTA 的存在形体与 pH 有关 当pH 1 0时 由氏Y的lgK a 3和 lgK a 可 以得知 H梦 一 践梦 一 H梦 一 丫 一 3 问可以说是 检查 学生做实验时是否动脑的一个问题 试 样加H N仇溶解后还要煮 沸是 除去 过量的 H Nq 使 其分解为N O 二 被除去 加H CI后还要煮沸是 为了使掩C l沉淀凝聚 便于洗涤和过滤 4 问是配合物转 化平衡计 算 属于简单的平衡计算 已知条件很明确 只要求出多重平衡常数 注意有 效数字取舍 即 可以顺利解答 应答分析 本题素材来源于一个 实际样品的分析 考察参赛学生运用络合滴定基本原理 平衡原理及元素化学基本知识正 确理解分析过程中的种种现象和分析方法建立的科学依据 有意识地引导学 生重视对实际间题 的剖析 以提高学 生解决实际 问题 的兴趣和能力 应答 的结果出乎预料之外 得分率仅有0 4 3 成 为全卷 的第二道难题 反映 我国中学生轻实际的现状 令 人堪忧 主要问题有 尽管写 出了第1 1 1步 的配合物转化反应 仍认为第W步被滴定是掩 工 将 D 中傀 工 的存在形体写 成纯护 一 不清楚滴定主反应与滴定终点时反应的区别 将终点时颜色变化的反应写成滴定主反应 将E D T A在 pH 为 1 0 时的存在形体写成姚梦 一 和砂 一 的占 6 7 说明参赛学生顾此失彼 丢三落四 思维欠慎密 是相当普遍的现象 7 3 的 参赛学生 包括部分高分段学生 将 3 间的第1次煮沸的目的认为是加速HNq与试样的反应 使溶 样完全 而 没有注意题目 是 试样加 H N马溶解后再煮沸的目的 对于 4 问的计算 7 0 的学生对溶液D中存在 的多个平衡关系 没有理清头绪 找不到切入口 求不出N i n 的总浓度 9 学生有正 确的解题思路 却又犯 了 低级 错误 如将 掩 N 玩 2 0 01 0 x 0 2 的结果 写成Z xlo 4 m o l L 转化后 N i N凡 62 干 应为o 0050 mol L写成0 O1 0 m o l 以没有考虑反应的计量关系 求 多重平衡常数时代错 了数据 甚至有学 生代入 了2次 N i N氏 6 2 的 lgK稳值 8 74 而没有代入 N i CN 2一 的lgK 德 值 3 1 3 平 衡常数关系式的分母项漏代入 N玩 2 或代入 的是 N凡 在12 9 名参赛学生中竞有如此多花样 的低级错误 也是没有预料到的 当然他 们都不会有正确结果 还有1 8 的学 生有效 数字错误 被扣分 只有3 的学生此间得 了满分 第6题导向载体糖墓n卜琳的合成 解题思路 根据题中信息 D的部分结构R 结构已给定 组成应来自p一D 一 葡萄糖 乙酸醉和水杨醛 R 中的糖昔氧应由 水杨醛的酚羚基提供 因芳环与氧相连 由于 p一二共扼效应难发 生c一0 键的断裂 可以推测c中无半缩醛轻 基 为避免B 中 出现半缩醛轻基 昔轻基 2 问特提 出了糖分子 中哪个羚基最活泼的问题 因此从p 一 D 一 葡萄糖出发 经乙酸配的醇解和 两次殊2反应可以写出B C和D 的正确结构式 只要熟悉R S法对手性碳的标记 就能顺利解答 2 间 3 问关键是理解 搪的 一 和 p一型的规定 实际上是未知糖结构对已知糖结 构的空间模拟 只需在p 一 D 一 葡萄糖 哈武斯结构 基础 上将c 和 q经基分别与氢原子调换位置即可 4 问中 首先需要理解 A中哪些官能团在碱性 条件下水解 水解后出现什么官能团 这些官能团有何性质 三个间题 显然A中缩醛部分和含N部分在 碱性条件下难 水解 而醋基部分可彻底水解 水解后使A 中糖分子上又出现了4个羚基 经基是极性官能团 易与水形成氢键 使水溶性大大增加 应答分析 此题的得分率为0 6 7 是全卷中最易的一题 1 2 问 大多数学 生回答正确 得分 率较高 少数人的主要错误 是在B中保留半缩醛轻基 将C结构式写成开链式 以及R S 标记错误 3 间得零分 的占6 3 关键是对 一 型和 p 一 型的 规定不清楚 出现 了只改变q或 改变q和 q构型的错误 结构式 4 间得满分的只有 3 8 反映学 生应 用基础知识 解决 实际问题 的能力有待提高 第 7 题皿要中间体五苯墓苯甲醛的合成 解题思路 此题的核心是求A的分子式 并确定其结构 A 的分子式应该容易确定 从 提供的反应信息 采用逆 推法即 可 推出 五苯基苯甲酸的分子式为q 氏6q 加个1个城 1 个CO组 成即得C的分子式 几 姚 q 再 减 去肉佳酸 的分 子 式 q H s q 组成即得A的分子式q g践 O 确定A的结构 式时 始终抓住A的分子与五苯基苯甲酸结构的对照 以确定A的初 步碳骨架 通过分析可知 在五苯基苯甲酸 的结构中切去一个肉桂酸的碳骨架可得 h 丫 h 丫 h 丫 h 型碳骨架 该骨架一定来 0 自A的分子式 其原子组成为q 氏 因此A分子式中只剩余C O C一C w e C一 C 丫 h h 丫 h 丫 h 或 一 C 一 如何将C O与C一G 一一 C一C 两部分 组成合 化学教育 200 1年第4期 0h Ph l 理结构 根据题中提供的有 关A的反应信息 最理想的碳骨架为 丫 异 A 分子式中所有原子也用完 为满足碳的四 Ph Ph oh Ph 价 采用凯库勒推测苯结构 的方法 加入双键 得到A的结构 丫 该 结构尽管在有机化学书籍 中少见 但学生能够 Ph Ph 肯定它是一种较稳定的化合物 推测此结构具有一定的难度 命题人特意提 供暗示信息 装在密封 的信封 中 供学生选用 A 的结构确定后 通过D 一 A反应可得C 的结构式 通过逆合成法将A中么p及a 留不饱和链切断 切出 1个D碳骨架 可 推测E的结构式 G 的生成是典型的缩 醛反应 H 和I是对已提供信息的模拟 应用有机化学基本知识和概念可以顺利解答 3 4 5 间 应答分析 此题得分 率为0 5 0 主要错误有 6 1 的学生推不 出A的正确分子式 这是未预料到的 命题人估计到 若 第一步要求学生写 出A的结构式 难度大 才特意安排先推导分子式作为铺型 想不到学生对题 中提供 的反应计量关 系不予 理睬 把 简单问题复杂化 由于A分子式错误 导致A结构式错误 3 8 的参赛学生将A分 子式写成 几 氏Zq 结构式写 nh 卜 尸目n ph p坟 丫 尸 为 丫 A 与B反应 的产物写为 丫 ph C 实际上A 与B反应 的产物除 C 外 还有其它 产物 而 1C H 产 J 一 曰 J产 月 砂 l 又气八 一 一 碑 一 一一 碑 一 J 岌亡 二 匕 人 产一C O O H C H O 牙 pn P h P l 勺 Ph C 脱梭比脱拨容易 得不到五苯基苯甲酸 3 问中尽管确定了A和E的结构式 但不能正确命名 对 A 的命名主 要是不 能正确地选择母体 对E的命名是没有考虑到它还有异构体 第7题首次使用密封信封提供信息 以培养参赛学生的 自主自立品格 学生使用这一信息的情况统计如 下 启开者 3 8 其 中正确解答者 2 6 错答者