高中化学碳族元素和硼族元素竞赛解析

1、碳族元素和硼族元素第1题（共6分）实验室制备少量硅一般采用镁粉还原SiO2的方法，然后用稀盐酸洗涤产品以除去杂质。某同学在进行上述操作时，在制得的产品中加HCl洗涤时突然起火。（1）请用化学方程式解释：稀盐酸洗涤产品可除去哪些主要杂质？为什么加HCl洗涤时突然起火？（2）请设计一个实验来验证你的解释。（不必画出装置图，也不必指出具体化学药品，不要写方程式，只要简明指出方法。）.（共6分）（1） 2HCl+MgO =H2O+MgCl 22HCl+Mg =H2 T +MgC2 SiO2+4Mg= Mg2Si +2MgOMg 2Si+4HCl =SiH 4+2MgCl 2SiH4+2O 2=SiO2

2、+2H 2O（2）在N2保护下（或惰性气体），对硅烷气体进行检验。SiH4+2KMnO 4=H2+K2SiO3+2MnO 2 J + HO （不要求）（方程式各1分，检验1分）第2题（8分）C60的发现开创了国际科学的一个新领域，除C60分子本身具有诱人的性质外，人们发现它的金属掺杂体系也往往呈现出多种优良性质，所以掺杂C60成为当今的研究热门领域之一。经测定C60晶体为面心立方结构，晶胞参数a=1420pm。在C60中掺杂碱金属钾能生成盐，假设掺杂后的K+填充C60分子堆积形成的全部八面体空隙，在晶体中以K+和C60存在，且C60一可近似看作与 C60分子半径相同的球体。已知C的范德华半径为

3、 170pm, K+的离子半径133pm。11-1掺杂后晶体的化学式为 ;晶胞类型为 ;如果为C60 一顶点，那么K+所处的位置是 ;处于八面体空隙中心的K+到最邻近的C60一中心的距离是 pm。11-2实验表明C60掺杂K+后的晶胞参数几乎没有发生变化，试给出理由。11-3计算预测C60球内可容纳的掺杂原子的半径。第11题（8分）11-1 KC 60面心立方晶胞体心和棱心 710pm （各1分，共4分）11-2 C60分子形成面心立方最密堆积，由其晶胞参数可得 C60分子的半径:r(C60)=矗笔=502 Pm所以C60分子堆积形成的八面体空隙可容纳的球半径为：r(容纳)=0.414 附隹积

4、)=0.414 502=208pm这个半径远大于 K +的离子半径133pm,所以对C60分子堆积形成的面心立方晶胞参数几乎没有影响(211-3 因r(C60)=502pm ,所以C60球心到C原子中心的距离为： 502-170=332 pm所以空腔半径，即 C60球内可容纳原子最大半径为：332-170=162 pm第3题(共11分)2005年1月美国科学家在Science上发表论文，宣布发现了 Al的超原子结构，并预言其 他金属原子也可能存在类似的结构，这是一项将对化学、物理以及材料领域产生重大影响的发现，引起了科学界的广泛关注。这种超原子是在 Al的碘化物中发现的，以 13个Al原子或1

5、4个Al原子形成A1i3或Al 14 超原子结构，量子化学计算结果表明，Al 13形成12个Al在表面，1个Al在中心的三角二十面体结构， Al 14可以看作是一个 Al原子跟Al 13面上的一个三角形的 3个Al形成Al -Al键而获得的。文章还指出， A%和 Al 14超原子都是具有40个价电子时最稳定。(1)根据以上信息可预测 Al 13和AI14的稳定化合价态分别为 和。A1i4应具有元素周期表中 哪 类化学元素的性质，理由是： (2)对Al 13和A114的AlAl键长的测定十分困难，而理论计算表明，*13和人114中的Al-Al键长与金属铝的Al -Al键长相当，已知金属铝的晶体结

6、构采取面心立方最密堆积，密度约为2.7g/cm3,请估算Al 13和Al14:中Al -Al的键长。(3) Al 13三角二十面体中有多少个四面体空隙，假设为正四面体空隙，如果在其中搀杂其他原子，请通过计 TOC o 1-5 h z 算估计可搀杂原子的半径最大为多少？12.(共 11 分)(1)-1 +2 (Al 13- A1i42+) (2 分，各 1 分)碱土金属因为Al 14容易失去2个电子而呈现+2价(1分)MZ27 43(2)根据晶体留度公式可得：V= =23= a 故晶胞参数 a =405pmNa：6.02 102.7因为金属铝形成面心立方晶胞，所以原子半径与晶胞参数之间的关系为：

7、c2、2 八彳c2a =4r r = a = 405 pm =143 pm 44所以估计 Al-Al键长约为：2r=2X143pm=286pm (3分)(3)有20个四面体空隙 (2分)r,设Al的半径为R,正四面体空隙可以填充的内切球半径为则正四面体边长b=2R,立方体边长 ”R,1立方体对角线为：（.2R）2 （2R）22=J6R一 6R = r R所以 r =（亚 _1）R=0.225R=0.225m143Pm =32.2Pm（3 分） 2（2003）第5题（8分） 在30oC以下，将过氧化氢加到硼酸和氢氧化钠的混合溶液中，析出一种无色晶体X。组成分析证实，该晶体的质量组成为Na 14.

8、90%, B 7.03 %, H 5.24 %。加热X,得无色晶体 Y。Y含Na 23.0%,是一种温和的氧化剂，常温下在干燥空气里稳定，但在潮湿热空气中分解放氧，广泛用作洗涤剂、牙膏、织物漂白剂和美发产品，也用于有机合成。结构分析证实X和丫的晶体中有同一种阴离子Z2-,该离子中硼原子的化学环境相同，而氧原子却有两种成键方式。4-1写出X、Y的最简式，给出推理过程。X的最简式；NaBH8O7 Y的最简式； WBH2O4 （各1分；写成水合物也可）推理过程：NaBH O14.90/23.0 = 0.648 7.03/10.8 = 0.6515.24/1.008= 5.20 72.83/16.0=

9、4.55187X变成Y是脱水过程。X为NaBH 2O4 - 3H2O,则Y中Na的质量百分数为 23/99.8 = 0.23（若X是NaBO3 - 4H2O,则丫中Na的质量分数为23/81.8=0.28不符合题意。）（1分）4-2用最恰当的视角画出 Z2-离子的立体结构（原子用元素符号表示，共价键用短线表示）2-（5分；不写2 不扣分。）参考图形:（2004年）第13题（9分）88.1克某过渡金属元素 M同134.4升（已换算成标准状况）一氧化碳完全反应生成反磁性四配位络合物。该配合物在一定条件下跟氧反应生成与NaCl属同一晶型的氧化物。.推断该金属是什么；.在一定温度下 MO可在三氧化二铝

10、表面自发地分散并形成“单分子层”。理论上可以计算单层分散量，实验上亦能测定。（a）说明MO在三氧化二铝表面能自发分散的主要原因。（b）三氧化二铝表面上铝离子的配位是不饱和的。MO中的氧离子在三氧化二铝表面上形成密置单层。画出此模型的图形；计算 MO在三氧化二铝（比表面为 178 m2/g）表面上的最大单层分散量（g/m2）（氧离子的半径为 140 pm）。（88.1g/MM）: （ 134.4L/22.4L mol1） = 1 ： 4 （1 分）一一,一1I,Mm = 58.7g mol M 是 Ni （1 分）（共 2 分）（a）主要原因是混乱度（嫡）增加了（从表面化学键角度讨论烙变、嫡变和

11、自由能变化也可）。（1分）（b）氧离子在氧化铝表面作密置单层排列，馍离子有规律地填入三角形空隙（图）（密置层1分，填隙1分，共2分）个 “NiO” 截面:（2言）2sin120 =（2 M40 M0 12m）2sin120 = 6.79 10 2m2 （2 分）1m2Al2O3表面可铺 NiO 数:1m2/6.79 10 2m2= 1.47 M019 （1 分）相当于：74.7g mol S1.47 1019m 2+ 6.022 M 023 mol 1 = 1.82 X0 3g（NiO）/m 2（Al 2O3）（1分）（共4分）（将1个“NiO”截面算成6.78X020 m2,相应的1m2Al

12、2O3表面可铺NiO数为1.48 M019,不扣分。（2006年）第11题（11分）磷化硼是一种受到高度关注的耐磨涂料，它可用作金属的表面保护层。磷化硼可由三澳化硼和三澳化磷在氢气中高温反应合成。11-1.写出合成磷化硼的化学反应方程式。 TOC o 1-5 h z BB3+PB3+3H2=BP+6HBr（1 分）11-2.分别画出三澳化硼分子和三澳化磷分子的结构。BrBP BrBr BrBr Br,Br Br（回不回磷上的孤对电子不影响得分）平面三角形三角锥（2分）11-3磷化硼晶体中磷原子作立方最密堆积，硼原子填入四面体空隙中。 画出磷化硼的正当晶胞示意图。（注：填入另外四个四面体空隙也可

13、，但不能一层空一层填）（2分）11-4已知磷化硼的晶胞参数a = 478 pm,计算晶体中硼原子和磷原子的核间距（cIb-p =113a = 1、3 478pm = 207pm4411-5 画出磷化硼正当晶胞沿着体对角线方向的投影（用实线圆圈表示 P原子的投影，用虚线圆圈表示（4分）（2007）第6题（12分）尿素受热生成的主要产物与B原子的投影）NaOH反应，得到化合物 A （三钠盐）。A与氯气反应，得到化合物 B,分子式QN3QCI3。B是一种大规模生产的化工产品，全球年产达40万吨以上，我国年10-1画出化合物A的阴离子的结构式。生产能力达5万吨以上。B在水中能持续不断地产生次氯酸和化合

14、物C,因此广泛用于游泳池消毒等。10-210-310-4写出上述尿素受热发生反应的配平方程式。画出化合物B的结构式并写出它与水反应的化学方程式。化合物C有一个互变异构体，给出 C及其互变异构体的结构式。Si（OH） 4。2007第7题（12分）通常，硅不与水反应，然而，弱碱性水溶液能使一定量的硅溶解，生成1-1已知反应分两步进行，试用化学方程式表示上述溶解过程。早在上世纪50年代就发现了 CH5+的存在，人们曾提出该离子结构的多种假设，然而，直至1999年,才在低温下获得该离子的振动 -转动光谱，并由此提出该离子的如下结构模型：氢原子围绕着碳原子快速转动；所有C-H键的键长相等。1-2该离子的

15、结构能否用经典的共价键理论说明？简述理由。1-3该离子是（）。A.质子酸 B.路易斯酸C. 自由基 D.亲核试剂2003年5月报道，在石油中发现了一种新的烷烧分子，因其结构类似于金刚石，被称为“分子钻石” 若能合成，有可能用做合成纳米材料的理想模板。该分子的结构简图如下：1-4 该分子的分子式为 ;1-5 该分子有无对称中心？ 1-6 该分子有几种不同级的碳原子？ 1-7 该分子有无手性碳原子？ 该分子有无手性? 第2题（13分）化合物SOCl2是一种液态化合物，沸点77C,实验室中可用 CaSO3和PCl5混合共热制备。在工业生产和化学实验中，SOC12是一种重要的化学试剂。在盛有 10mL

16、水的锥形瓶中小心地滴加 810滴SOC12, 可观察到反应剧烈发生，液面上有白雾形成，并逸出刺激性气味的气体。1,写出CaSO3与PCl5共热制备SOCl2的化学方程式。.写出SOCl2与H2O完全反应的化学方程式。.设计一些简单实验来验证你写出的化学方程式是正确的。（只需给出实验原理和现象，无须描述实 验仪器和操作）4,工业上往往用ZnCl2 , 3H2O和SOC12混合共热来制取无水 ZnCl?。说明该种制法可行性的原因。. SOC12在有机化学中作氯化齐Jo写出苯甲酸和SOC12反应的化学方程式。.为了使（5）生成的有机物与混溶在其中的过量的SOC12分离，可以采用的分离操作是 。. CaSO3 + 2PC15= CaC12+ 2POC13 + SOC12 （2 分）. SOC12+H2O = SO2+2HC1 （2分）.向水解产物的水溶液中通入H2s气体有淡黄色（硫磺）沉淀析出