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中国化学会第20届全国高中学生化学竞赛(省级赛区)试题及答案和评分标准


中国化学会第 20 届全国高中学生化学竞赛(省级赛区)试题及答案和评分标准
(2006 年 9 月 10 日 题 号 满 分 得 分 评卷 人 ? ? ? ? 竞赛时间 3 小时。迟到超过半小时者不能进考场。开始考试后 1 小时内不得离场。时间 到,把试卷(背面朝上)放在桌面上,立即起立撤离考场。 试卷装订成册,不得拆散。所有解答必须写在指定的方框内,不得用铅笔填写。草

稿纸 在最后一页。不得持有任何其他纸张。 姓名、报名号和所属学校必须写在首页左侧指定位置,写在其他地方者按废卷论处。 允许使用非编程计算器以及直尺等文具。
He 4.003 O Ne B C N F Li Be 6.9419.012 10.8112.0114.01 16.0019.00 20.18 Al Si P S Cl Ar Na Mg 26.9828.09 30.97 32.0735.45 39.95 22.99 24.31 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 39.1040.08 44.96 47.8850.94 52.00 54.94 55.85 58.93 58.69 63.55 65.39 69.72 72.61 74.92 78.96 79.9083.80 Sn Sb Te I Xe Ru Rh P d Ag Cd In Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc 85.4787.62 88.9191.22 92.91 95.94 98.91101.1 102.9106.4 107.9 112.4 114.8118.7 121.8127.6 126.9 131.3 Hf Ta W Re Os Ir P t Au Hg Tl P b Bi P o At Rn Cs Ba [210] [222] -Lu 178.5180.9 183.9186.2 190.2 192.2 195.1 197.0 200.6 204.4 207.2 209.0 [210][210] 132.9137.3La Fr Ra [223] [226]Ac-Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt H

9:00 - 12:00 共计 3 小时) 6 9 7 11 8 9 9 10 10 10 11 11 12 10 总分 100

1 4

2 5

3 8

4 7

5 6

1.008

相 对 原 子 质 量

第 1 题(4 分)2006 年 3 月有人预言,未知超重元素第 126 号元素有可能与氟形成稳定的化 合物。按元素周期系的已知规律,该元素应位于第 周期,它未填满电子的能级应 是 ,在该能级上有 个电子,而这个能级总共可填充 个电子。 【正确答案】 第 1 题(4 分)2006 年 3 月有人预言,未知超重元素第 126 号元素有可能与氟形成稳定的化 合物。按元素周期系的已知规律,该元素应位于第 八 周期,它未填满电子的能级应 是 5g ,在该能级上有 6 个电子,而这个能级总共可填充 第 2 题(5 分)下列反应在 100℃时能顺利进行: 18 个电子。

1

2—1 2—2

给出两种产物的系统命名。 (4 分) 这两种产物互为下列哪一种异味构体?(1 分) A.旋光异构体 B.立体异构体 C.非对映异构体 若不把氘视为取代基,则 (7S,3Z,5Z)—3—甲基—7—氘代—3.5—辛二烯 (7R,3E,5Z)—3—甲基—7—氘代—3.5—辛二烯 若把氘视为取代基,则 (2R,3Z,5Z)—2—氘代—6—甲基—3.5—辛二烯 (2S,3Z,5E)—2—氘代—6—甲基—3.5—辛二烯 B (立体异构体) D.几体异构体

【正确答案】 2—1 Ⅰ: Ⅱ: 或, Ⅰ: Ⅱ: 2—2 (2 分) (2 分) (2 分) (2 分) (1 分)

第 3 题(8 分)下面四张图是用计算机制作的在密闭容器里,在不同条件下进行的异构化反 应 XY 的进程图解。图中的“”是 X, “”是 Y。

3—1 3—2 3—3 3—4

图中的纵坐标表示 平衡常数 K 最小的图是 平衡常数 K 最大的图是 平衡常数 K = 1 的图是

(填入物理量,下同) ;横坐标表示 。 。 。



【正确答案】 3—1 X 和 Y 的摩尔百分数(或答:物质的量的分数或物质的量的百分数) ; (2 分) 3—2 3—3 3—4 A B C (2 分) (2 分) (2 分)

第 4 题(7 分) 已探明我国锰矿储量占世界第三位,但富矿仅点 6.4%,每年尚需进口大量 锰矿石。有人设计了把我国的菱锰矿(贫矿)转化为高品位“菱锰矿砂”的绿色工艺。该工 艺首先将矿砂与硫酸铵一起焙烧,较佳条件是:投料比 [(NH4 )3 SO4 ]/m[MnCO2 ]=1.5;焙烧温度 450℃;焙烧时间 1.5 小时。 4.1 4.2 4.3 4.4 写出焙烧反应方程式: 其次,将焙烧产物转化为高品位的“菱锰矿砂” ,写出反应方程式: 若焙烧温度过高或时间过长,将导致什么结果? 从物料平衡角度看,生产过程中是否需要添加(NH4 )3 SO4 ?说明理由。

【正确答案】 4—1 写出焙烧反应方程式:
2

(NH4 )2 SO4 +MnCO3 =MnSO4 +2NH3 ↑+CO2 ↑+H2 O↑ 4—2 4—3 4—4

(1 分)

其次,将焙烧产物转化为高品位的“菱锰矿砂” ,写出反应方程式: MnSO4 +2NH3 +CO2 +H2 O=(NH4 )2 SO4 +MnCO3 ↓ (2 分) 若焙烧温度过高或时间过长,将导致什么结果? MnSO4 ,MnCO3 分解生成高价锰的氧化物而导致锰浸出率下降。 (2 分) 从物料平衡角度看,生产过程中是否需要添加(NH4 )2 SO4 ?说明理由。
-1 -1

不需加。开始投料时(NH4 )2 SO4 (132g·mol )过量(MnCO3 ,115g·mol ) , 反应生成的 NH3 、CO2 以及(NH4 )2 SO4 可循环利用。 (2 分) -1 第 5 题(6 分)配制 KI(0.100mol·L )-I3 的水溶液,用 0.100mol·L-1 Na3 S3 O3 标准溶液 测得 c(I3)=4.85×10-3 mol·L-1 。量取 50.0mL KI-I3 溶液和 50.0mLCCl4 置于分液漏斗中振荡 达平衡,分液后测知 CCl4 相中 c(I3)=2.60×10
-3

mol·L 。已知实验温度下 CCl4 从水溶液中

-1

萃取 I3 的分配比为 85:1。求水溶液中 I3 +I-=I-3 的平衡常数。 【正确答案】 设萃取平衡时,水溶液中 c(I2 )为 x c(I2 ,CCl4 )/c(I2, H2 O)=2.60×10 x=2.60×10-3 mol·L-1 /85=3.06×10-5 mol·L-1 (2 分) 水溶液中 I2 +I-=I3 -
-1 -3

mol·L /x=85

-1

平衡浓度(mol·L ) I2 :3.06×10-5 ; (1 分)
- -3

I-:0.100-2.22×10-3 =0.098
-5 -3

(1 分)

I3 :(4.85-2.60)×10 -3.06×10 =2.22×10 (1 分) -3 -1 -1 -5 K=2.22×10 mol·L /0.098 mol·L ×3.06×10 mol·L-1 =7.4×102 L·mol-1 (不写单位不扣分) (1 分) 第 6 题(9 分)潜在储氢材料——化合物 A 是第二周期两种氢化物形成的路易斯酸碱对,是 乙烷的等电子体,相对分子质量 30.87 常温下为白色晶体,稳定而无毒。刚刚融化的 A 缓慢 释放氢气,转变为化合物 B(乙烯的等电子体) 。B 不稳定,易聚合成聚合物 C(聚乙烯的等 电子体) 。 C 在 155℃释放氢气转变为聚乙炔的等电子体, 其中聚合度为 3 的化合物 D 是苯的 等电子体。高于 500℃时 D 释放氢气,转变为化合物 E、E 有多种晶型。 6—1 6—2 6—3 6—1 写出 A、B、C、D、 E 的化学式。 化合物 A 转变为 E 各步释放的氢氢占的质量分数以及总共释放的氢气所占的质量分 数多大? 为使 A 再生,有人设计了化合物 D 在水蒸气存在下与甲烷反应,写出化学方程式。 写出 A、B、C、D、 E 的化学式。 A. H3 B : NH3 (或 BNH6 ) C.[ H2 B—NH2 ] E. BN 6—2 数多大? A→ B 2.016/30.87=6.531% (或 0.06531) B→ C 2.016/28.85=6.988% (或 0.06988) D→E 6.048/26.84=24.14% (或 0.2414)
3

B. H2 B=NH2 (或 BNH4 ) D.B3 N3 H6 (5 分)

化合物 A 转变为 E 各步释放的氢所占的质量分数以及总共释放的氢气所占的质量分

A→ E 6.048/30.87=19.59% (或 0.1959) 6—3 3CH4 +2( HBNH)3 +6H2 O=3CO2 +6H3 BNH3 形成无色晶体,能除去锅炉水中溶解氧,并可使锅炉壁钝化。 7—1 7—2 7—3 7—4 7—5 7—6

(2 分) (2 分)

为使 A 再生,有人设计了化合物 D 在水蒸气存在下与甲烷反应,写出化学方程式。

第 7 题(11 分)化合物 A 是近十年开始采用的锅炉水添加剂。A 的相对分子质量 90.10,可 A 是用碳酸二甲酯和一水合肼在 70℃下合成的,收率 80%。画出 A 的结构式。 写出合成 A 的反应方程式。 低于 135℃时,A 直接与溶解氧反应,生成三种产物。写出化学方程式。 高于 135℃时,A 先发生水解,水解产物再与氧反应。写出化学方程式。 化合物 A 能使锅炉壁钝化是基于它能将氧化铁转化为致密的四氧化三铁。 写出化学 方程式。 化合物 A 与许多金属离子形成八面体配合物,例如[Mn(A)1 ]3+。结构分析证实该 配合物中的 A 和游离态的 A 相比,分子中原本等长的两个键不再等长。画出这种 配合物的结构简图(氢原子不需画出) ,讨论异构现象。 【正确答案】 7—1 A 是用碳酸二甲酯 和一水合肼在 70℃下合成的,收度 80%。画出 A 的结构式。

注:C—N—N 角必须不是直线 7—2 7—3 7—4 7—5 写出合成 A 的反应方程式。 O=C(OCH3 )2 +2H2 NNH2 · H2 O=O=C(NHNH2 )2 +2CH3 OH+2H2 O 低于 135℃时,A 直接与溶解氧反应,生成三种产物。写出化学方程式。

(2 分) (1 分)

(N2 H3 )2 CO+2O2 =2N2 +CO2 +3H2 O (1 分) 高于 135℃时,A 先发生水解,水解产物再与氧反应。写出化学方程式。 (N2 H3 )2 CO+H2 O=2N2 H4 +CO2 N2 H4 +O2 =N2 +2H2 O (1 分) 化合物 A 能使锅炉壁钝化是基于它能将氧化铁转化为致密的四氧化三铁。写出化学 方程式。 (N2 H3 )2 CO+12Fe2 O3 =8Fe3 O4 +2N2 +CO2 +3H2 O (2 分)
2+

7—6

化合物 A 与许多金属离子形成八面体配合物,例如[Mn(A)3 ] 。结构分析证实该 配合物中的 A 和游离态的 A 相比,分子中原本等长的两个键不再等长。画出这种 配合物的结构简图(氢原子不需画出) ,讨论异构现象。

4

有一对经式、面式异构体(几何异构体) (1 分)它们分别有一对对映异构体(手性异构体) (1 分) (画不画异构体的结构不影响得分。 ) 第 8 题(9 分)超硬材料氮化铂是近年来的一个研究热点。它是在高温、超高压条件下合成 的(50Gpa、2000K) 。由于相对于铂,氮原子的电子太少,衍射强度大弱,单靠 X-射线衍射 实验难以确定氮化铂晶体中氮原子数和原子坐标,2004 年以来,先后提出过氮化铂的晶体结 构有闪锌矿型、岩盐型(NaCl)和萤石型,2006 年 4 月 11 日又有人认为氮化铂的晶胞如下 图所示(图中的白球表示氮原子,为便于观察,该图省略了一些氮原子) 。结构分析证实, 氮是四配位的,而铂是六配位的;Pt—N 键长均为 209.6pm,N—N 键长均为 142.0pm(对比: N2 分子的键长为 110.0pm) 。

8-1 氮化铂的上述四种立方晶体在结构上有什么共同点? 8-2 分别给出上述四种氮化铂结构的化学式。 8-3 试在图上挑选一个氮原子,不添加原子,用粗线画出所选氮原子的配位多面体。

8—4 8—1 8—2 8—3 8—4

请在本题的附图上添加六个氮原子(添加的氧请尽可能靠前) 。 氮化铂的上述四种立方晶体结构上有什么共同点? 铂原子面心立方最密堆积。 分别给出上述四种氮化铂结构的化学式。 依次为 PtN、PtN2 、PtN2 (2 分) 试在图上挑选一个氮原子,不添加原子,用粗线画出所选氮原子的配位多面体。 请在本题的附图上添加六个氮原子(添加的氮请尽可能靠前) 。
5

(2 分)

第 9 题(10 分)环磷酰胺是目前临床上常用的抗肿瘤药物,国内学者近年打破常规,合成了 类似化合物,其毒性比环磷酰胺小,若形成新药,可改善病人的生活质量,其中有一个化合 物的合成路线如下,请完成反应,写出试剂或中间体的结构。

注:NBS 即 N-溴代丁二酰亚胺。 【正确答案】

第 10 题(10 分)以氯苯为起始原料,用最佳方法合成 1—溴—3—氯苯(限用具有高产率的 各反应,标明合成的各个步骤) 。 【正确答案】

6

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 化硼可由三溴化硼和三溴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。 11—2 11—3 11—4 11—5 分别画出三溴化硼分子和三溴化磷分子的结构。 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。 已知磷化硼的晶胞参数 a=478pm,计算晶体中硼原子和磷原子的核间距( )

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 B 原子的投影) 。 写出合成磷化硼的化学反应方程式。 BBr3 +PBr 3 +3H2 =BP+6HBr (1 分) 分别画出三溴化硼分子和三溴化磷分子的结构。

【正确答案】 11—1 11—2

(画不画磷上的孤对电子不影响得分) (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。

11—4

已知磷化硼的晶胞参数 a=478pm,计算晶体中硼原子和磷原子的核间距(dB-P ) 。

d B?P ?

1 1 3a ? 3 ? 478 pm ? 207 pm 4 4

或 d B ? P ? [( 11—5

1 1 1 2a ) 2 ? ( a ) 2 ] 2 ? 3a ? 207? 478pm ? 207pm (2 分) 4 4 4

1

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 B 原子的投影) 。
7

第 12 题(10 分)有人设计了如下甲醇(methanol)合成工艺:

其中,?为甲烷气源,压强 250.0kPa,温度 25℃,流速 55.0m ·s 。?为水蒸气源,压强 200.0kPa, 温度 150℃, 流速 150.0 m1 · s -1 。 合成气和剩余反应物的混合物经管路?进入 25℃ 的冷疑器 (condenser) , 冷凝物由管路?流出。 在 B 中合成的甲醇和剩余反应物的混合物经? 进入 25℃凝器,甲醇冷凝后经管路?流出,其密度为 0.791g·mL 。 12—1 分别写出在步骤 A 和步骤 B 中所发生的化学反应的方程式。 12—2 假定:所有气体皆为理想气体,在步骤 A 和 B 中完全转化,气液在冷凝器中完全分 离,计算经步骤 A 和步骤 B 后,在一秒钟内剩余物的量。 12—3 实际上, 在步骤 B 中 CO 的转化率只有三分之二。 计算在管路⑥中 CO、 H2 和 CH3 OH 的分压(总压强为 10.0MPa) 。 12—4 当甲醇反应器足够大,反应达到平衡,管路⑥中的各气体的分压服从议程
2 p(CH 3 OH) ? p0 KP ? p(CO) ? p 2 (H 2 )
-1

1

-1

式中 p0 ? 0.100MPa,计算平衡常数 K p 。 郑重声明;本试题的版权属中国化学会所有,不经中国化学会化学竞赛负责入受权,任何入 不得翻印、不得在出版物或互联网网站上转载、饭卖、赢利,违者必究。 【正确答案】 12—1 分别写出在步骤 A 和步骤 B 中所发生的化学反应的方程式。 CH4 (g)+H2 O(g)=CO(g)+3H2 (g) (1 分) CO(g)+2H2 (g)=CH3 OH(g) (1 分) 12—2 假定:所有气体皆为理想气体,在步骤 A 和 B 中完全转化,气液在冷凝器中完全分 离,计算经步骤 A 和步骤 B 后,在一秒钟内剩余物的量。

n (CH4)=(250.0×103 ×55.0)/(8.314×298)=5.55×103(mol) n [H2O(g)]=(200.0×103×150.0)/(8.314×423)=8.53×103(mol)
经步骤 A 后在③中过量的 H2 O(g)=(8.53×103 -5.55×103 )mol=2.98×103 mol(1 分)
8

在步骤 A 中生成的 CO 和 H2 的摩尔比为 1:3,而在步骤 B 中消耗的 CO 和 H2 的摩尔比 为 1:2,故经步骤 B 后剩余的 H2 为 5.55×10 mol 12—3 的分压(总压强为 10.0MPa) 。
3

(1 分)

实际上, 在步骤 B 中 CO 的转化率只有三分之二。 计算在管路⑥中 CO、 H2 和 CH3 OH

nT ? n(CO) ? n( H 2 ) ? n(CH 3OH ) ? {5.55?103 ?1/ 3 ? (16.65?103 ? 5.55?103 ? 2 / 3 ? 2) ? 5.55?103 ? 2 / 3} mol
=14.8×103 mol

p(i) ? pT ? ni / nT p(CO) ? 10.0MPa ? (5.55?103 ?1/ 3 / 14.8 ?103 ) ? 1.25MPa p( H 2 ) ? 10.0MPa ? (9.25?103 / 14.8 ?103 ) ? 6.25MPa
(1 分) (1 分)

p(CH 3OH ) ? 10.0MPa ? (5.55?103 ? 2 / 3 / 14.8 ?103 ) ? 2.5MPa (1 分)
12—4 当甲醇反应器足够大,反应达到平衡,管路⑥中的各气体的分压服从方程

Kp ?

p(CH 3OH ) ? p0 p(CO) ? p 2 ( H 2 )

式中 p0 ? 0.100MPa,计算平衡常数 K p 。

K p ? 2.50? (0.100) 2 /(1.25? 6.252 ) ? 5.12?10?4

(2 分)

9


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