中国化学会第23届全国高中学生化学竞赛（新疆赛区）试卷

中国化学会第23届全国高中学生化学竞赛（新疆赛区）试卷及答案和评分标准2009年10月25日题号12345678910总分满分1213771088111014100评分通则：1.凡要求计算的，没有计算过程，即使结果正确也不得分。2有效数字错误，扣0.5分，但每大题只扣1次。3单位不写或表达错误，扣0.5分，但每大题只扣1次。4只要求1个答案、而给出多个答案，其中有错误的，不得分。5方程式不配平不得分。6不包括在此标准答案的0.5分的题，可由评分组讨论决定是否给分。第1题（12分）许多小溪流经煤矿和金属矿。由于含硫矿床暴露在空气中或暴露在含氧的水中，使这些小溪变成酸性，溪水中含有溶解的铁和硫酸盐。最常见的含硫铁矿是黄铁矿（FeS2），其中铁的氧化态是+2。富含铁的溪水流入大面积的池塘中后，溶于水的铁以[FeO(OH)]的形式沉淀出来，覆盖于池塘底部，而水仍然保持酸性。1-1画出S22—的路易斯结构式，标出全部价电子。SS2-或SS2无电荷只得1分（2分）1-2写出黄铁矿在小溪中被空气氧化生成硫酸亚铁的离子方程式。2FeS2+2H2O+7O2＝2Fe2++4SO42+4H+（2分）1-3写出Fe2+离子被空气氧化生成FeO(OH)沉淀的离子方程式。2Fe2++1/2O2+3H2O＝2FeO(OH)↓+4H+（2分）1-4假设黄铁矿全部转化为FeO(OH)，计算：需要多少摩尔FeS2发生如上转化反应才能使1.0L纯水的pH降到3.0？（提示：此条件下可认为HSO4完全电离。）使1.0L纯水的pH降到3.0，含H+1.0×103mol。从配平的FeS2氧化的总反应式2FeS2+7.5O2+5H2O＝2FeO(OH)↓+4SO42+8H+可见，生成1molH+需0.25molFeS2，故生成1.0×103molH+需2.5×104molFeS2。（3分）1-5含Fe2+离子0.00835mol/L的溪水以20.0L/min的流速流入一个很大的池塘后75%的Fe2+离子被氧化为Fe(III)。因池水pH7，Fe(III)完全沉淀，最后转化为Fe2O3。计算一年可生成多少克Fe2O3。每分钟流入的Fe2+为0.00835mol/L×20.0L/min=0.167mol/min一年中流入池塘的Fe的总量n(Fe)=0.167mol/min×365×24×60min=8.8×104mol沉淀出的Fe2O3的质量m(Fe2O3)=1/2M(Fe2O3)×n(Fe)×75%=1/2×159.7g/mol×8.8×104mol×0.75=5.5×106g（3分）第2题（13分）碳酸钙是自然界中分布最广的一种碳酸盐，碳酸钙难溶于水，但能溶于CO2的水溶液中。碳酸钙矿床的地下水流出地面后，由于压强减小而放出CO2，年深日久可形成石笋或钟乳石。25oC时，大气中的CO2分压约为pCO2＝3×104atm。已知：CO2(g)＋H2O＝H2CO3K0＝[H2CO3]/pCO2＝101.47H2CO3H＋＋HCO3Ka1＝4.5×107pKa1＝6.4HCO3－H＋＋CO32Ka2＝4.7×1011pKa2＝10.3CaCO3（s）Ca2＋＋CO32Ksp＝108.32-1写出石灰岩地区形成钟乳石的化学方程式。CaCO3＋CO2＋H2O＝Ca(HCO3)2；Ca(HCO3)2＝CaCO3↓＋CO2↑＋H2O（各2分，共4分）2-2试计算雨水的pH及CO32浓度。因为Ka1Ka2，所以可忽略HCO3的电离。所以[H＋]＝[HCO3]所以[H+]＝＝2.0×106，所以pH＝5.70（2分）[CO32－]＝＝5.0×1011（2分）2-3石灰岩地区的地下水流入河水，设河水pH＝7，在25℃、pCO2＝103.54atm下，当达到平衡时，Ca2+浓度是多少?[H2CO3]＝P·K0＝3×104×101.47＝1.02×105[CO32]＝＝2.03×108（2分）所以[Ca2＋]＝Ksp/[CO32]＝0.25mol/L（1分）2-4已知NaHCO3在水中的溶解度比Na2CO3小，如何从晶体结构的角度加以解释？NaHCO3晶体因相邻的HCO3间存在氢键，与水的作用比CO32弱，所以NaHCO3在水中的溶解度比Na2CO3的溶解度小。（2分）另外，CO32的水合能大，在水中还会发生水解使碳酸钠溶解度增大，但不属于晶体结构角度，不计分。第3题（7分）某工厂生产中产生含Cr2O72酸性工业废水。Cr是严重的致癌物质，绝不允许随意排放。一种治理含Cr2O72酸性工业废水的方法是向废水中加入适当的NaCl，用Fe作电极进行电解，Cr2O72被还原为Cr3+然后生成Cr(OH)3沉淀除去，废水则可以达到排放标准。请回答下列问题：3-1电解时发生的主要电极反应为：阳极反应：阴极反应：阳极：Fe→Fe2++2e(1分)；阴极：2H++2e→H2↑(1分)（阳极还可能放出氧气，阴极还可能发生铬(VI)还原，不是主要反应；只写铬在阴极被还原可得0.5分）。3-2写出Cr2O72被Fe2+离子还原，生成Cr(OH)3的离子方程式。Cr2O72+6Fe2++17H2O=2Cr(OH)3+6Fe(OH)3+10H+写出Fe(OH)3即可得1分。(3分)3-3电解过程中沉淀是怎样产生的？电解过程中阴极附近由于H+在电极上被还原，H2O不断电离产生大量OH，OH与Fe3+、Cr3+生成Fe(OH)3和Cr(OH)3沉淀。（2分）第4题（7分）很长一段历史时期，人们认为溴不会呈现+7价。1968年有位化学家用新发现的XeF2和HBrO3反应，首先制出BrO4离子，随后在1971年用XeF2和KOH、KBrO3的水溶液反应，得到了很纯的KBrO4晶体。4-1已知XeF2跟水反应放出氙气和氧气，氟以化合态存在于溶液中，试写出化学方程式，氧化剂是，被氧化的元素是。2XeF2+2H2O=2Xe↑+O2↑+4HF（2分）XeF2（1分）O（1分）4-2写出XeF2和含KOH、KBrO3的水溶液反应得到KBrO4晶体的化学方程式XeF2+2KOH+KBrO3=Xe↑+KBrO4+2KF+H2O（2分）4-3根据本题题面给出的信息，指出BrO4―的稳定性和溶液的pH值的关系。水溶液pH值越高，BrO4离子在水溶液中越稳定。（1分）第5题（10分）合成氨反应在工业生产中的大量运用，满足了人口的急剧增长对粮食的需求，也为有机合成提供了足够的原料——氨。合成氨是一个可逆反应：N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)。在298K时：Kp=6.6105Pa2。5-1从平衡常数来看，反应的限度已经很大了，为什么还需要使用催化剂？加快反应速率，提高生产效率（单位时间的产率）。(2分)5-2试分析实际工业生产中采取700K左右的温度的原因是什么？温度高不利于放热反应向正向移动，但提高了反应速率，另外选择的催化剂在700K左右活性最好（此要点不计分），兼顾反应的限度和化学反应速率，根据目前工业生产实际，选择700Ｋ左右最理想。(2分)5-3若将生成的氨气0.1mol溶于水配成1L溶液，则该溶液的pH=［已知：298K，Kb(NH3•H2O)=1.7105］。[H+]=(Kc)1/2,pH=lg[H+]=11.2(4分)5-4若在上述溶液中逐滴加入稀硫酸，使其恰好完全反应，溶液的pH7(填“=、或”)，在所得溶液中加入少量硫酸铵固体，水解反应向（填“正”或“逆”）方向移动。(1分)；正(1分)第6题（8分）今年是新中国成立60周年，建国以来人们的生活水平得到了很大提高。尤其是近一二十年来更是如此。手机、笔记本电脑、数码相机甚至轿车等都已进入寻常百姓家。但是这些设备所使用的电池仍然不能完全满足人们的需要。对此，我国某大学最近研发出一种新型锂离子电池，该电池处于国内领先地位。以下是某种锂离子电池的反应：C6Li+Li1-xMO2⇌C6Li1-x+LiMO2(C6Li表示锂原子嵌入石墨形成的复合材料，LiMO2表示含锂的过渡金属氧化物)6-1锂离子电池放电时的负极反应为：C6Lixe-=C6Li1-x+xLi+,则正极反应为：Li1-xMO2+xLi++xe=LiMO2(2分)6-2电池放电时若转移1mole,负极材料减轻了多少克?7g(2分)6-3LiMO2中的金属Ｍ可为Co、Mn和Ni等。以LiNiO2为例，层状结构的LiNiO2中Li+和Ni3+均处于氧离子组成的正八面体体心位置，但处于不同层中。6-3-1将化学计量的NiO和LiOH在空气中加热到770oC可得到LiNiO2，试写出反应方程式。4NiO+4LiOH+O2=4LiNiO2+2H2O(2分)6-3-2锂离子完全脱嵌时LiNiO2的层状结构变得不稳定，用铝取代部分镍离子形成LiNi1-yAlyO2,可防止锂离子完全脱嵌而起到稳定结构的作用，为什么？因为Ni的氧化数有+2、+3和+4，而Al只有+3氧化态，如果Ni都被氧化到+4氧化态，那么锂离子可以完全脱嵌，形成NiO2,但有y个Al3+存在，必有y个Li+形成y个LiAlO2，所以用铝离子取代部分镍离子形成LiNi1-yAlyO2,完全可以防止锂离子完全脱嵌而起到稳定LiNiO2结构的作用。（2分）第7题（8分）SiC是原子晶体，其结构类似金刚石，可看作金刚石中半数碳被硅替代，仅有C-Si键而无C-C键也无Si-Si键的三维网状结构。下图示出了以Si原子为中心的两个同心立方体（两立方体的棱互相平行）。7-1设上图的小立方体4个顶点是距体心Si原子最近的C原子，而处于大立方体上的Si原子则是距小立方体上的C原子最近的Si原子。以上图为基础试画出处于大立方体上的所有Si原子（用●表示）。CH3CH2CH=CH2CH3CH2CHClCHClCH3CHClCH=CH2CH2=CH-CH=CH2OOO+Cl2CH3CH2CH=CH2+Cl2CH3CHClCH=CH2+CH3CHCH=CH2CH3CHClCH=CH2+CH2=CH-CH=CH2OOONaOHNaOH+（4分）7-2大立方体和小立方体的边长之比为：。2:1（4分）第8题（11分）某烃A(C4H8)，在较低温度下与氯气作用生成B(C4H8Cl2)；在较高的温度下作用则生成C(C4H7Cl)。C与NaOH水溶液作用生成D(C4H7OH)，但与NaOH醇溶液作用却生成E(C4H6)。E与顺丁烯二酸酐反应可生成F(C8H8O3)。试写出A～F物质的结构简式以及各反应的反应式。A～F物质的结构简式：A:CH3CH2CH=CH2B:CH3CH2CHClCHClC:CH3CHClCH=CH2CH3CHCH=CH2E:CH2=CH-CH=CH2F:OOOD:OH（每个结构式1分，共6分）反应式：高温水溶液（每个反应式1分，共5分）第9题（10分）某学生以苯为起始原料按下面的路线合成化合物A(C9H10)：醇溶液加热+ClCH2CH2CH3=AlCl3CHCH3CH3Br2,hvCCH3CH3BrOHCCH3CH2(1)O3(2)H2O,ZnCCH3O+HCHOCH3CH2COClAlCl3COCH2CH3[H]CHCH2CH3OHBrBr2FeBr3Mg纯醚MgBrICH2CH2CH3CH2CH2CH3Br2,hvCHCH2CH3BrCHCH2CH3=H+OHalc.OCH3H3CO2CHOBr2APhCH2NH2BLiAlH4CH2,Pd/CD+ClCH2CH2CH3AlCl3CH2CH2CH3Br2hvCHCH2CH3BrKOHEtOH,CHCHCH3=(A)当他将制得的最终产物进行O3氧化、还原水解后却得到了四个羰基化合物；经波谱分析得知它们分别是苯甲醛、乙醛、甲醛和苯乙酮。9-1请问该学生是否得到了A？用反应式说明判断依据。得到了化合物A；（1分）判断依据是：CH=CHCH3O3H2OZnCHO+CH3CHO（2分）9-2该学生所设计