第34届国际化学奥林匹克理论试题.pdf

2 0 0 2 年第1 1 期 化学教育 一 一 l 乜荨 毋蜥睡茜 第3 4 届国际化学奥林匹亚理论试题 格罗宁根荷兰2 0 0 2 年7 月1 0 日 4 5 苇3 4 岳石译比学关q j 于2 0 0 2 丘7q4H 1 4 口在荷兰 二酃域市椿罗宁 女蓉竹 中旨派出了8 人 弋襄臣毒女 本届 鼋赛 田长和副田最分利专 L 市大学段连 j 教授书山东师范女学际德是教授 观累最是山东省 匕学化工学会赵 二亮高域工 i 师和北京大学裴芏副教扳 4 名学生分别罡山末酋买验中学的来毕 胡南师大呵丁中的吕华 华南师 附中的叫体山和些中 啼大一咐中为王i 4g 选手仝鄂托哿金蝴 乜7 口约总成绩分列第一 二 五卸六笠 第一题I 生命化学 l 命与f 匕学密I J 相戈 r 觯嗣l 监控牛命过程受到丁化学家的板人重视 J l 生命中的氧气 氧气时我们j t 凡的生命是至关重要的 乃通过肺进入我们的身体 然后由血液传输到我们身体的各个组织 在体内 通过糖的氧化提供能情 其压 j 式如下 C I I l2 h 十6 k 6 1 2 6 H 仵这个压l jr p 坶 自耗1 峥 哇将产生4 0k J 能量 在血液传输过程中 血红蛋白 H b 中的每4 个亚铁血红素幕团 I n 1 呵 个 h 结台 游离亚铁血红祟是由 个皿跃离子F 卜与二价卟啉饥离子 p r p h y n n 2 中的4 个氯原子配位组成的 U 能与亚铁离子 F 卜的配1 童妊键台配忙彬一位十配合物H n l 2 腹应式2 一氧化碳也能与亚铁离子形成配合物H m c o 反碰式1 c o 有毒的麒I 甘存丁它与亚铁血红豢的结合能 J 远远强 I m 十 H n l 1 H mtr b 1 1 b 2 反应 1 的 十 新常数K 是反应 2 的 r 衡常数K 二的1 1 1 0 l 倍 鳟个H b 分f 能琅载4 个 二 能与 b 结 的血液H 吸收丁该昔的部分 并取央于q 的压力 如图l 的曲线t 所示 1 巾同时给出的曲线 2 和 3 分别表示2 种砖血红蛋白竹血涟与 上结台的曲线 这种现象通常在1 些有某些遗传疾病的 病人中观察到 血红蛋白东站台 j 二的埙与 J 2 的眶J J 关系同如下 jr 了 l 的压力 k r 圈l 柑兑数擀 怖巾的 b 压力是1 5k n 在肌肉中的咙压力是2k P a 通过心肚和呻的血液最人流速为4 1 04 m 3 s I 血液中的血红细咆占 血液体积的4 细咆中血红蛋白 H b 的浓度是3 4 0k g 盯3 血红蛋白 H b 的摩尔质量为6 4k g 瑚m 1 1 R 83 1 4Jm d 一 k 1 T 2 9 8K I l 一1利用f 街常数 f 相标准吉布斯能量 Go 的关系式 计剪反应 1 和反应 2 之间的吉布斯能莓差 Il 一2 当一片尔的血红蛋白从啼到肌肉再回到肺中时 从图l 所示的曲线在框中计算在这3 种类型中释放在肌肉组织中 的 的岸尔数 精确副2 位有效数字 I13 特殊的s 形曲线l 体现了血红蛋白的精细结构特征 曲线2 巾所反映的血红蛋白不是最优原闻是 遂 万方数据 4 6 化学教育2 0 0 2 年第l l 期 一 A 与 k 的结台能山太差b 与 2 的结台能力太强 最大的 k 奋垃值太低D 是由 氧化碳中毒弓l 起的 l1 4 计剪由具有正常血红蛋白的血渡l 输送到组织中 五的量 单位为m u I j I l 5 计卯人体产生的擐大功率 假定其受q 的传输限制 l 一2 氮在自然界中的循环 如果氨的含量超过Ip p m 它就对海洋动物有毒 硝化细菌在将氨先转化为亚硝酸盐 再进一步转化为硝酸盐 十壤中氮 的1 诸械形式 中起着十分重要的作用 N H 3 2 2 N A I H 哑硝化单胞菌 细翦 N b 2 H 2 0 N A D N l 是炳碱二核t l 酸辅酶 N A D 的生化还腻剂 N A I 是烟碱二核苷酸辅酶 N A I 的生化氧化荆 2 舢十 舅挚2 2 tl 写出下列备种氮的存在形式中氮的氧化态 填在化合物下面的挺内 N H j N H 2 一N H 3 口口口 亚硝酸盐的分光光度分析是基于它与指示剂反应后的有色产物在波长 5 4 3n m 时有最人的吸收 为r 使定域分析钻果准确 必须作一条校正后的在最大暖收波长x 5 4 3n m 时的吸光度与亚硝酸盐浓度笑系的标准I 作 曲线 I2 2 在最大吸收波长 5 4 3n m 下掇4 量吸光度是因为 A 没柑杂质的T 扰B 殳有俯离散射光的影响c 在这时测量的值是聚准确的D 以上都不是 选择I E 确的答案 啦 匕度是用分光光度计测量的 然而有5 的光 也叫 敦射光J 束择毕黼两直接被榆测器接收丁 如阁2 所 c 一 1 L 一 7 冒2 2 3 在消光乐数e 6 0 0 0 r 1 c m l lc m 和浓度f 1x l o M 下 计算由分光光度计所显示的吸光度A 的值 下表是 鲤l f 定水中亚硝酸盐含量的有关数据 亚硝酸盐中氮的含量 P P m 在5 4 3n m 下的吸光度 2lO f f r m 洋品池 空自0 0 0 3 由于溶荆中的不纯物造成的 O9 t 5 0 1 6 7 1 8 3 0 0 3 2 8 H 一 卜2 4 通过溶荆中的不纯物校正后 利用以上的数据计算校正曲线A 删r 6 中的斜率卅和截距西 术佯的双重分析结果在下表中给出 测量是在最大吸收波长 5 4 3n m 和一个20 0 0c m 样品池中进行的 水样 嗳光度 d 分析结果l 05 6 2 分析结果2 05 5 4 为r 计算亚硝酸盐中氮 N 的浓度 c 单位 p p m 可利用下面的公式 在z l 0 0 0c m 样品池中测量的 校正的啵光度zo1 7 6 qc 十0 0 0 t 5 卜25 计锋以亚硝酸盐形式存在的氨 N 的平均浓度 以p p m 和嵋 m L l 为单位 提示 要考虑I 一2 4 的空白值 万方数据 2 0 0 2 年第1 l 湖 化学教育 4 7 一一 第二题I l 工业生产中的化学 纯代们的H 常生活中 常常使用工业产品 而核心 口J 题是要驾驳化学的本质 I I I旋复花粉或称菊粉Il n n l i n 一种可再生的原材料 在比利时f 荷兰 用菊苣 c h 一 r y 的根生产旋复花粉或称菊粉 由f 它对肠道菌具有良女r 的作用而被用作食品添加剂 娃也破脚作果糖的原料 粜糖比蔗糖甜19 倍 其也被用于生产甘露醇 而甘露阵可用米制作口香精 旋复花粉是果糖线性 粜什物 在其中 个求端有箭f 萄糖单元 其哈伍斯投影式 H a w o r t h p n l o n f o m l u I a 求j 牟j 立 在乖题中 菊粉打1 f 个果糖 单元 n 9 I I 1 l 蒲粉叮存质子酸 H 酸性催化下有效水解 下列4 种情况中何青的 一 键艟锌埘断裂 A H f l I 斟 1 浏I 怀I j 船自 教水解压世叶I 止确的c 一 键断裂机理 利垌现代N M K 技术 可 俭测 到氘 2 H 和氧的同位索 O 因此 用同位索标记水的方式研究水解反应 可得到有关水 解反应机理的信息 儿一1 2 标出卜述情况下饕使H 的哪一种同位索标记水是最好的 A2 H 2 H 2 17 t c 2 1 7 I 以E 都不是 简萄糖催化氧化得到l J I 梨醇 s 而果糖 F 催化氢化后得到甘露醇 M 和山梨醇 s I l 卜3 画f i 果糖 F 山梨醇 s 和甘露醇 M 的费歇尔投影式 任J J 口入催化刷下 在9 5 时l 摩尔菊粉在2k z 水中一步水解和氢化反应 果糖的氢化反应生J 拄甘嘏醇 M 和山梨醇 s 的比倒是7 3 即对M 的建择性是7 对s 选择性足3 I I l 一4 丐出此J 豆应中生成的甘露醇 M 和山梨醇 s 的摩尔教 枉J 豆J 董完成詹 除去催化剂 反应物冷却到2 5 在2 5 时 甘露醇 M 在水巾的溶解度为 J 4 0 m o l k g 而山梨醇 s 在水中的溶解度很大以至丁它不会从水中析出 I I 1 5汁研析出的甘簖醇 M 的朦尔数m 0 1 I I 一2 甲醇的生产 甲孵 c H 伽 是用来制备汽油添加荆和许多普通塑料的原料 甲醇的生产是基十下面的反应 C 0 2 H 2 C H 3 0 H 而氢和c o 是基1 下述反应制得 c I k 十H 2 0 c 0 3 H 2 这样的生产包括三个单元 即 H 2 和c o 的生产器 冲f 盯m e r 甲醇反应器 哦h 柚o l r c I 盯 将甲醇分离出米的分离器 s e 阳r 毗o r 图1 永出这3 个都 O 圈l 在y 处甲醇的流速 c H 3 H 7 1 0 1 0 m o l 手1 该工厂设计能力为将2 3c O 转化为甲醇 位置8 处过蜒的 和H 2 彤 来加热第1 个反应器 假定第一个反应 t h er e f o n e rr 朗c t i o n 已完成 f f2l 汁葬S 处 的流速及H 2 的流速 I I22 计钾7 处 O 的流速及H 2 的漉速 科遴 斟饵 刨型 嘲翠皤 万方数据 4 8 化学教育 2 0 0 2 年第l l 期 一 I I 一2 3 计算 处需要的c H 的流速和H 2 0 的流速 I I 一2 4 假定所有的反应物质都是气体 用下列公式计算丫处C 0 H 2 和c 心 H 的分压 M P a 为单位 t c I 总 其中 为化合物t 的流速 A 为化台物i 的分压 总 n 为在该位置的总流速 声为体系的总压力 卢 1 0 M P a 当反应在一个足够大的容器中进行 反应可达到平衡 分压服从下列关系式 舻筹 其中扣 是常数 0 1 K 是温度的函数 l 如图2 所示 纵坐标为常用对数 E 二弓斗二 厂 1 兽丰立 F 干 趣 E 习 弋 卜寸 卜一 r 隹兰兰圭窭 墨二j 二 二王二 二二 7 4 圈2 7 K 4 I I 一2 5 汁算K 并标出温度为多少 以K 表示 时 反应才达到此平衡 I I 一3 聚芳香酰胺 A i d s 高性能的高分子材料 芳香的聚酰胺 A r D m a t j q d y a r I l i d e s 聚芳香酰胺 a 捌m i 出 是一种高强度 高性能的高分子纤维 经常在复台材料 防弹背心 高 质最的滑雪板 安全帽等中使用 聚芳香酰胺 捌d s P P r r A 在国际市场销售 包括杜邦的 泰金的和荷兰北部的其它制造 商的产品 P P I A 的链是在正交垂直方向的薄片 平面 结构型的完美包装的纤维 其结构式如下 I 3I画出这些薄片的结构 只需画出3 个主链 渗蛋 对于一个由等摩尔量的2 个单体聚台的反应而言 其聚合物的平均链长度为P 其转化率为卢 链的总数为N 和单体的 总起始量为u t 摩尔 聚合反应的平衡町用下列的方程式来表示 C A 2 兰A m H 2 0 其中c 代表任何一个一 二0 0 H 基团 A 代表任何一个一N H 2 基团和A m 代表任何一个酰胺基团 I I 一32 计算平均链长为5 0 0 时单体的转化程度 I I 一33 为了合成P P T A 可考虑以下可能的合成方法 其中哪些方法可用 标出正确的答案 一个或一个以上 A 峨c 慨H 肿 卜N 睦面琴芝i n A H 卜 必 汁 m 矗州A cM 矿U M e R 呛一m 盖罴 聊n n 心N m 杀一 说明 已醚 d l e t h y le t h e r 碱 b a s e 极性溶剂 p o ks 0 I v m 万方数据 2 0 0 2 年第1 1 期 化学教育 4 9 一 一 I I 一3 4 另一种聚芳香酰胺的台成是通过加热4 氨基苯甲酸 4a n i I l c b 曲撕ca c i d 或4a 嘣 b e n z e n ec a b x y l 瑚d d 来生产 的 a 画出这种聚芳香酰胺 n 4 的结构式 b 反应在一个密闭的容器中进行时 计算其在平衡时的平均链长度 平衡常数K 5 7 6 第三题 1 一自然界中的功能分子化学 对于化学家而言 化学中的挑战之一是发现自然界中正发生的和生物活性分子的结构与它们所起的作用的戈系 I 儿一1 膜中的磷脂 具有生理活性的细胞薄膜是由大量的脂质和蛋白质组成的 是复杂的 功能化的 非共价键组装而成的 在生命过程中 它们 的功能是十分重要的 它们将细胞从它的周围环境中分离出来 从而测定在细胞内含物和环境的信息的特殊传输过程 磷 脂是细胞薄膜中存在的许多最重要的组份之一 化合物A 是其中的一个 8 目八 R p o f 目 H o 5 2 6 苫 7 s j 0 在水中分散时 在一种低临界浓度上 化合物A 形成紧密的双层结构 称为脂质体 将此作为在结构上更为复杂的细胞 薄膜的一种模型化合物 脂质体是 种球状聚集物 其中 由极性部分或离子组成的头部团与水结合 而由长链烷烃组成的 尾部团形成了一个疏水核 这双层的结构包含了一个水下的内在间隔间 具有双尾结构的台成表面活性剂也能自组装成与脂质体相似的紧密的双层结构 但是现在通常叫做囊泡 二甲基二正 十二二烷基氯化铵盐 D D A c 是其中的一个 说明 u n t 盯i n 相反离子 h e a dg r o u p 头部部分 t a l l 尾部 I I I 一1 一l a 化合物A 有多少种可能的立体异构体 b 化合物 R 有多少种可能的立体异构体 0 j j 张壮 A 蚂地 合成化合物A 的前体是一个由甘油转化而来的丙酮的缩酮化台物c 化合物c 的1 叭M R 氢谱图如下 严掣攀r 訾 P 掣气 l l 攀冀r 訾 I I II2 在核磁氢谱 1 H N M R 图中哪一个信号区与质子 H H c 一致的 B 旨质体的双层结构可由碳氢链的体积v 在聚集体中鳞脂头部团的已优化的代表性的表面积口 和所估计的碳链最长 度z 来表征 含n 个碳原子的无支链长链烷烃组成的尾郎团的一个好的近似值是 v 2 74 2 69 9n 1 0 m Z 0 1 5 4 01 2 6 5n r n 考虑到一值很大 尾部与尾部之间的相互作用就远远大于头部之间的排斥作用 I I I 一 一3 计算在此条件下 很大磷脂头部基团的最小表面积 在它临界浓度1 c 由二甲基二正十二 烷基氯化铵 D D A c 组成的囊泡催化6 一硝基苯并异恶唑 3 搬酸盐 6 一N B I c 的 万方数据 二 L 一些兰苎 竺 竺 塑 单分子脱羧反应 反应式如下 一 麒 在水中 2 5 时 七l 3 1 1 0 4 i 1 在D I A c 的浓度为f I 时 6 一N B l c 完全被吸附在囊泡表面上 此时e I I I l 一4 画f i 量I 与r 凸A c 的浓度关系图 x 轴表示D I A c 的浓度 浓度从忙3 f I I l l 一5 6 硝基苯并异恶唑 3 羧酸盐 6 N B I c 的脱羧反应能被D I A c 囊泡有效催化的主要原因是 A 脱羧反应是被吸附着在囊泡表面的a 催化的 B 当6 一N B J C 吸附在囊泡上后 其他的款酸盐的水合作用被有效降低了 c 在囊泡内部的c 0 的强键合力 D 相对于6 一N B l c 而言 有机反应的产物与囊泡有强键台力 I 一2 谷胱甘肽 一个不可或缺的小肽 谷胱甘肽 缩写为G s H 是一个几乎存在于所有动物组织中的小肽 其结构式见下图 G 刚履行重要的生理功能 如在 血液中的亲电化台物的清除和 有机 过氧化物的还原 一个亲电化台物能与 剐发生不可逆反应 尤其是在肝中 生成一个 初始产物 它能被一系列生物转化反应转变成叫做硫醚氨酸 m e 瑚p n 血c 鲥d 的另一种化合物 这种酸能通过尿排泄出去 趣1 的氧化反应能生成二硫化物 为s G 它又能被还原酶还原成G s H 在许多细胞中 G s H 与G s 9 G 的比例 5 0 0 N H 0 m 丫 H o I I I 一2 1 a 写出在G s H 中有多少个氨基酸 o b 画出所有氨基酸的结构并用 号标出手性中心 o s l I o G S H 从一个丙烯腈 a c 州f 1 1 i I e H 2 C c H C N 中毒的病人的尿样中分离得到的一种硫醚氨酸A m e r c 臼J 叶 c a d dA 其分子 式为 H 1 2 q S 其用氘代二甲亚砜作溶剂的氢谱核磁图1 H N M R 在图1 中列出 当产物用重水重新处理后 位于a 1 2 8 和8 68 的信号峰不再出现 信号3 的峰被简化了 I I 1 酮1 J L I I I 一2 2 a 与质子相关的核磁信号 鼬瑚l 吕 有下列几个质子 p 蝴 组 州 c H 2 c H 3 O H N H 在合适的框中写出分别 与信号1 一一致的质子组 b 写出在化台物A 中有多少个碳原子没有与质子相连 一 l 万方数据 2 0 0 2 年第1 1 期 化学教育 E 1 一 c 画出化台物A 的结构式 维生紊c V t 跗l i nc 抗坏血酸 a s c o r b ca c 讨 能与氧化剂反应得到化合物D 去氢抗坏血酸 d e h y d r o i i ca c d I J 反成 式如下 n I I 1 l l m y 黑 m n 一 l l n 一 l 箸 弋 l I 卜2 3 吃赫鲜水果翔蔬菜有益于健康是 A 因为维他命 能与 j s H 形成络合物B 因为维他命c 能与亲电试剂反应 c 因为维他命c 能清除氧化剂 防止G s H 被破坏D 有许多原因 但是他们其中没有一个与G s H 有羌 第四题l V 化学与光和能 化学在满足人类生活对光和能的需要中起着重要作用 若设有光和能 人类生活是不可想象的 l 发光灯 1 8 9 1 年荷兰研制出第一支发光灯管 兮天 与第一支灯相比其发展是巨大的 尤其是气体放电灯的研发 其寿命以指数 倍增加 灯光颜色也是研发的一个重要方面 目前 稀土金属化合物 如 c e B b 火焰温度可达6 0 0 0K 该类化合物在室温 下以离子型固体存在 加热时其可部分升华成中性金属卤化物气体分子 为了达到高蒸汽压 升华焙应尽可能小 I V 一1 一l 经由单核离子蒸汽 给出c e B b 升华过程的热化学循环 盖斯定律 L 丑w0 f l 蜷 H H 晶格 f H 静电 风 H 升华 H 不是绝对值 而是改变值 H 一H 一 一H 一 l H 一H l H 固体的晶格能可用下列公式 L 聃出f o 唧1 妇 计算 耻 每簪 1 当离子半径以纳米为单位时 因子 z 所必需的晶格能 计算以k Ir r d l 表示 合计为1 3 9 马德隆常数A 为2 9 8 5 玻恩指 数 为 离子z 和z 的电荷是整数 z 是负的 对计算气体c 出r 3 当从离子形成时 的能量 可用上述的同一公式 但 不需要马德隆常数A 气相中c e B q 的结构是平面三角形 G 一 的半径为O 1 1 5n m B r 演负离子 的半径为01 8 2r 吼 I V 1 2 计算 B 功的升华焙 用整数表示 注意正负号 曾经试图通过将一定化学量的 勰r 加到c 出r 3 中 在室温下生成固态Q c e B 的方式制造一种更好的发光灯 当其升华 温度降低 发光灯的寿命将同步增加 Q c 出r 4 晶格结构与N a a 相同 作为阳离子 四面体的c 出 作为络合阴离子 c g 勰n 升华得到气态的C s B r 和C 趣B 分子 I v 1 3 写出上述过程的热化学循环的反应方程 盖斯定律 h w0 f 卜b s 其中气相中某些步骤包括c e B r 4 一离子 单核离 子和气相中的中性分子 第一步s t e D l 二竺 第二步S t e p 2 二生 十H 第j 三步 e 口3 二 十乩 第四步S t e 4 二 总 t a l 烈 e B r h 琥二 唑 c e B q d 墨m c s B r d 刚 说明 I a t t i c e 晶格能 r r d e c u l 苣 分子 I v 一1 4 计算G I B r 4 的升华焙 用整数表示 利用上述公式 L 那出 山 计算 该过程所有步骤中每一步的焙 值 N a c l 的马德隆常数A 为1 7 5 晶格中c 争C e 之间的距离为O 6 1 7 m c e B 囊一阴离子是四面体结构 其中四面体的边长 与从四面体顶角到其中心的距离之比为 2 幅 3 1 6 3 3 c s B r 的玻恩指数 等于1 1 的半径为01 8 lm n 万方数据 5 2 化学教育 2 0 0 2 年第 期 I V 一1 5 通过所得到上述答案的研究 我们是否可以认为加人c s B r 是一个好主意吗 选择一个正确答案 A 加人 作用相反B 加入 嘏r 对发光没有影响 C 加入C 出r 对发光有利D 由上述数据中得币出明确的答案 一2 红宝石 红宝石晶体呈深红色 其用处在珠宝业是众所周知的 但很多人都不了解1 9 6 0 年研制的第 台激光器的心脏部件是一 块大的红宝石晶体 红宝石的红色来源于分布在无色氧化铝 A b 3 晶体中的c 一 对光的吸收 P 在3 d 壳层中具有3 个 电子 吸收光是由于电子在能量较低的3 d 轨道和能量较高的3 d 轨道之l 目的跃迁所致 I V 2 一l 选择下列4 种吸收光谱中哪 种属于 圈l 4 说明 w a v e l c r 再h 眦 波长 纳米 U l v 1 0 1 e t 近紫外 V l l e t 紫外 B l u e 蓝光 G 料n 绿光 Y e I l 目w 黄光 嘶噼 橙光 R e d 红光 l m e d 红外 A h 坤t I m 吸光度 m 波长 纳米 在红宝石激光器中使用的激光棒是一长1 52 呷 直径为1 1 5c m 的圆筒 c 一 离子的量是0 0 5 0 质量百分比 A 1 2 与的密度是4 0 5g 咖一 o 的原子质量等于5 2u 1 u l6 7 x 1 口2 7 k g I v 一2 2 计算激光棒中有多少c 一 离子 在红宝石中c 一 与6 个氧离子呈八面体配位 5 个3 d 轨道的形状如下图所示 在下列框内 给出了5 个3 d 轨道的分裂 情况 一组3 个能量较低的轨道 t 2 另一组2 个能量较高的轨道 I v 一2 3 在下列对应的框内写出3 d 轨道中哪一些是f 2 矗1 哪一些属于咋组 固惫勾岛勺 d d r d Fd F d I v2 4 用箭头标出 P 处于最低能量态时 c 一 的3 个3 d 电子在5 个d 轨道中的排布情况 5 口 一一铿 3 f 一 将红宝 放在一台称上 投有磁场 当台称处于平衡时 在红宝石一端的下方直接放一块磁铁 如图2 所示 一 乞一一 I H 盆 圈 圉2 m m 一坠 H 儿0一 六 m i l 矾宁F鲁一严P言 嘲m m bu蛊抽 沁m 万方数据 I v2 5 红宝石将会发生仆磨变化 标出止确答案 A 磁铁吸引红宝石 即红宝石一端往下移动 B 磁铁对此没有影响