第 30 届中国化学奥林匹克(初赛)试题及答案

1第30届中国化学奥林匹克(初赛)试题及答案第1题(8分)1-1离子化合物A2B由四种元素组成，一种为氢，另三种为第二周期元素。正、负离子皆由两种原子构成且均呈正四面体构型。写出这种化合物的化学式。1-1(NH4)2BeF41-2对碱金属Li、Na、K、Rb和Cs，随着原子序数增加以下哪种性质的递变不是单调的？简述原因。(a)熔沸点(b)原子半径(c)晶体密度(d)第一电离能1-2c密度由2个因素决定：质量和体积。碱金属晶体结构类型相同,故密度取决于其原子质量和原子体积。原子序数增加,碱金属原子质量和体积均增大,质量增大有利于密度增大,但体积增大却使密度减小，因而导致它们的密度变化不单调。1-3保险粉(Na2S2O4·2H2O)是重要的化工产品，用途广泛，可用来除去废水(pH~8)中的Cr(Ⅵ)，所得含硫产物中硫以S(Ⅳ)存在。写出反应的离子方程式。1-32CrO42–+3S2O42–+4H2O→2Cr(OH)3↓+4SO32–+2HSO3–1-4化学合成的成果常需要一定的时间才得以应用于日常生活。例如，化合物A合成于1929年，至1969年才被用作牙膏的添加剂和补牙填充剂成分。A是离子晶体，由NaF和NaPO3在熔融状态下反应得到。它易溶于水，阴离子水解产生氟离子和对人体无毒的另一种离子。1-4-1写出合成A的反应方程式。1-4-2写出A中阴离子水解反应的离子方程式。1-4-1NaF+NaPO3→Na2PO3F1-4-2PO3F2–+H2O→H2PO4–+F–第2题(9分)鉴定NO3–离子的方法之一是利用“棕色环”现象：将含有NO3–的溶液放入试管，加入FeSO4，混匀，然后顺着管壁加入浓H2SO4，在溶液的界面上出现“棕色环”。分离出棕色物质，研究发现其化学式为[Fe(NO)(H2O)5]SO4。该物质显顺磁性，磁矩为3.8μB(玻尔磁子)，未成对电子分布在中心离子周围。2-1写出形成“棕色环”的反应方程式。2-2推出中心离子的价电子组态、自旋态(高或低)和氧化态。2-3棕色物质中NO的键长与自由NO分子中N-O键长相比，变长还是变短？简述理由。2-1形成“棕色环”的反应方程式：3Fe(H2O)6+NO3–+4H=3Fe(H2O)6+NO+2H2OFe(H2O)62++NO=[Fe(NO)(H2O)5]2++H2O2-2μeff=[n(n+2)]1/2=3.8μB未成对电子数：n=3中心铁离子的价电子组态为t2g5eg2在八面体场中呈高自旋状态中心离子的氧化态为+12-3N-O键长变短。NO除利用一对电子与中心离子配位之外，还将一个排布在反键轨道上的电子转移给了金属离子，变为NO+，N-O键级变为3，故变短。第3题(13分)3-1好奇心是科学发展的内在动力之一。P2O3和P2O5是两种经典的化合物，其分子结构已经确定。自然而2然会有如下问题：是否存在磷氧原子比介于二者之间的化合物？由此出发，化学家合成并证实了这些中间化合物的存在。3-1-1写出这些中间化合物的分子式。3-1-2画出其中具有2重旋转轴的分子的结构图。根据键长不同，将P-O键分组并用阿拉伯数字标出（键长相同的用同一个数字标识）。比较键角O-P(V)-O和O-P(III)-O的大小。3-2NH3分子独立存在时H-N-H键角为106.7o。右图是[Zn(NH3)6]离子的部分结构以及H-N-H键角的测量值。解释配合物中H-N-H键角变为109.5o的原因。3-1-1P4O7，P4O8，P4O93-1-2O-P(V)-O大于O-P(III)-O3-2氨分子与Zn2+形成配合物后，孤对电子与Zn2+成键，原孤对电子与键对电子间的排斥作用变为键对电子间的排斥，排斥减弱，故H-N-H键角变大。3-3量子化学计算预测未知化合物是现代化学发展的途径之一。2016年2月有人通过计算预言铁也存在四氧化物，其分子构型是四面体，但该分子中铁的氧化态是+6而不是+8。3-3-1写出该分子中铁的价电子组态。3-3-2画出该分子结构的示意图（用元素符号表示原子，用短线表示原子间的化学键）。3-3-13d23-3-2第4题(10分)固体电解质以其在电池、传感器等装置中的广泛应用而备受关注。现有一种由正离子An+、Bm+和负离子X–组成的无机固体电解质，该物质50.7ºC以上形成无序结构(高温相)，50.7ºC以下变为有序结构(低温相)，二者结构示意见右图。图中，浅色球为负离子；高温相中的深色球为正离子或空位；低温相中的大深色球为An+离子，小深色球为Bm+离子。34-1推出这种电解质的化学式，写出n和m的值。4-2温度变化会导致晶体在立方晶系和四方晶系之间转换，上述哪种晶相属于立方晶系？4-3写出负离子的堆积方式及形成的空隙类型。指出正离子占据的空隙类型及占有率。4-4高温相具有良好的离子导电性，这源于哪种离子的迁移？简述导电性与结构的关系。4-1An+：4个，Bm+：2个,X–：1/88+1/210+1/44+1=8化学式：A2BX4n=1，m=24-2高温相。4-3立方最密堆积，堆积形成正八面体，以及正四面体两种空隙正离子占据的是四面体空隙。低温相的四方晶胞中有16个正四面体空隙，其中6个被正离子占据，正离子在四面体位置的占有率为6/16=3/84-4源于An+离子的迁移（主要原因是），高温相的导电性与大量的四面体空位有关，它们为正离子的流动提供了运动通道。第5题(8分)化学式为MOxCly的物质有氧化性，M为过渡金属元素，x和y均为正整数。将2.905g样品溶于水，定容至100mL。移取20.00mL溶液,加入稀硝酸和足量AgNO3，分离得到白色沉淀1.436g。移取溶液20.00mL,加入适量硫酸，以N-邻苯基氨基苯甲酸作指示剂，用标准硫酸亚铁铵溶液滴至终点，消耗3.350mmol。已知其中阳离子以MOxy+存在，推出该物质的化学式，指出M是哪种元素。写出硫酸亚铁铵溶液滴定MOxy+的离子反应方程式。第5题：n(Cl–)=1.436g/(107.9+35.45)gmol-1=0.01002mol=10.02mmolMOxy+与Fe2+反应，Fe2+→Fe3+，n(Fe2+)=3.350mmol若设反应为MOxy++Fe2+→MOpq++Fe3+，n(M)=n(MOxy+)=3.350mmoln(Cl–)/n(MOxy+)=10.02mmol/3.350mmol=2.991≈3,y=3MOxCl3的摩尔质量为：2.905g/(53.35010-3mol)=173.4gmol-1MOx3+的摩尔质量:173.4–335.45=67.1(gmol-1)若设x=1,则M的相对原子量=67.1-16.00=51.1与钒的原子量相近，故认为M为V。化学式：VOCl3反应式：VO3++Fe2+→VO2++Fe3+第6题(14分)N2O4和NO2的相互转化N2O4(g)2NO2(g)是讨论化学平衡问题的常用体系。已知该反应在295K和315K温度下平衡常数Kp分别为0.100和0.400。将一定量的气体充入一个带活塞的特制容器，通过活塞移动使体系总压恒为1bar(1bar=100kPa)。6-1计算295K下体系达平衡时N2O4和NO2的分压。6-2将上述体系温度升至315K，计算达平衡时N2O4和NO2的分压。6-3计算恒压下体系分别在315K和295K达平衡时的体积比及物质的量之比。46-4保持恒压条件下，不断升高温度，体系中NO2分压最大值的理论趋近值是多少（不考虑其他反应）？根据平衡关系式给出证明。6-5上述体系在保持恒外压的条件下，温度从295K升至315K，下列说法正确的是：（a）平衡向左移动(b)平衡不移动(c)平衡向右移动(d)三者均有可能6-6与体系在恒容条件下温度从295K升至315K的变化相比，恒压下体系温度升高，下列说法正确的是(简述理由，不要求计算)：(a)平衡移动程度更大(b)平衡移动程度更小(c)平衡移动程度不变(d)三者均有可能6-1设体系在295K(V1,T1)达平衡时，N2O4(g)的分压为P1,NO2(g)的分压为P2，根据所给条件，有P1+P2=1bar（6a）根据反应式：N2O4(g)2NO2(g)和所给平衡常数，有：KP(298K)=(P2/P2)2/(P1/P1)=0.100（6b）解联立方程（6a）和（6b），得：P1=0.730bar，P2=0.270bar6-2315K(V2,T2)下体系达平衡，N2O4(g)的分压为P1’,NO2(g)的分压为P2’，类似地有：P1’+P2’=1bar（6c）KP(315K)=(P2’/P2)2/(P1’/P1)=0.400（6d）解联立方程（6c）和（6d），得：P1’=0.537bar，P2’=0.463bar6-32∆n(N2O4)=∆n(NO2),PV=nRT,得：2(P1V1/T1–P1’V2/T2）/R=(P2’V2/T2–P2V1/T1）/R(2P1+P2)V1/T1=(2P1’+P2’)V2/T2V2/V1=T2/T1(2P1+P2)/(2P1’+P2’)=315/295(20.730+0.270)/(20.537+0.463)=1.20因为体系的总压不变，则n2/n1=V2/V1T1/T2=1.20295/315=1.126-41bar由恒压关系（=1bar）和平衡关系，设NO2分压为y，y+y2/K=1即y2+Ky-K=0;)4)2((21)4(2122KKKKKy当K+24时，24)2(2KK，此时y=16-5c6-6a因为平衡常数随温度升高而增大，恒容条件下升温平衡向右移动，从而导致体系总压增大，此时若要保持恒压，则需要增大体积，而体积增大会促使反应向生成更多气体物质的量的方向移动，即促使平衡进一步向右移动。第7题(8分)乙醇在醋酸菌作用下被空气氧化是制造醋酸的有效方法，然而这一传统过程远远不能满足工业的需求。5目前工业上多采用甲醇和一氧化碳反应制备醋酸：CH3OH+CO→CH3COOH。第9族元素（Co,Rh,Ir）的一些配合物是上述反应良好的催化剂。以[Rh(CO)2I2]–为催化剂、以碘甲烷为助催化剂合成乙酸（Monsanto法）的示意图如下：7-1在催化循环中，A和碘甲烷发生氧化加成反应，变为B。画出B及其几何异构体B1的结构示意图。7-2分别写出化合物A和D中铑的氧化态及其周围的电子数。7-3写出由E生成醋酸的反应式（E须用结构简式表示）。7-4当将上述醋酸合成过程的催化剂改为[Ir(CO)2I2]–，被称作Cativa法。Cativa法催化循环过程与Monsanto法类似，但中间体C和D（中心离子均为Ir）有差别，原因在于：由B（中心离子为Ir）变为C，发生的是CO取代I–的反应；由C到D过程中则发生甲基迁移。画出C的面式结构示意图。7-1BB17-2A和D中，Rh的氧化态分别为+1和+3，周围的电子数分别为16和18。7-3CH3COI+H2O→CH3COOH+HI7-46第8题(10分)8-1画出以下反应过程中化合物A-F的结构简式。8-2某同学设计了以下反应，希望能同时保护氨基和羟基。请选择最有利于实现该反应的实验条件：a)反应在浓盐酸与乙醇(1:3)的混合溶剂中加热进行。b)反应在过量三乙胺中加热进行。c)催化量的三氟化硼作用下，反应在无水乙醚中进行。d)反应在回流的甲苯中进行。8-3理论计算表明，甲酸的Z和E-型两种异构体存在一定的能量差别。已知Z-型异构体的pKa=3.77，判断E-型异构体的pKa：a)3.77；b)3.77；c)=3.77；d)无法判断。8-1ABC7DEF8-2c8-3b第9题（12分）9-1氨基乙醇在盐酸中与乙酸酐反应如下：当此反应在K2CO3中进行，得到了另一个非环状的产物B；化合物A在K2CO3作用下也转化为化合物B。9-1-1画出化合物B的结构简式；9-1-2为什么在HCl作用下，氨基乙醇与乙酸酐反应生成化合物A；而在K2CO3