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09山东省夏令营测试题及答案


山东化学化工学会 2009 年高中学生化学竞赛夏令营试题
(2009 年 7 月)

题号 满分 得分

1 12

2 12

3 8

4 12

5 10

6 11

7 7

8 7



9 13

10 8

总分 100

第 1 题 (12 分) 作为一门极其重要的基础学科,化学与人类的衣食住行以及能源、 信息、材料、国防、环境、医药等方面都有密切联系,在社会与经济发展以及人 类生活质量的不断改善和提高中,都起着不可或缺的重要作用。实际上,我们的 日常生活也与化学密切相关。 1-1. 焖米饭时,温度太高米饭中的部分?单键转化成黑色石墨中的?键,并放 出许多 H2O 分子。请根据公式 ?G ? ?H ? T?S 来解释:焖米饭时,火太大,饭会 烧焦的原因; 答案:①饭烧焦是一个 ?H ? 0 的熵增过程,温度低时: ?G ? ?H ? T?S ? 0 ,该 过程不能自发进行;②火大时,温度很高,使 ?G ? ?H ? T?S ? 0 ,该过程能自发 进行,从而把饭烧焦。 (每个要点 1 分,共 2 分,说法不一定完全相同,但意思符合就得分) 1-2. 焖米饭的锅会在表面粘上许多饭粒,请选择这些饭粒与锅表面的作用力 为 C (填 A,B,C,D 之一):①化学键 B ②③④ C ②③ ②范德华力 ③氢键 ④疏水 亲脂相互作用 ⑤势阱力 A ①②③④⑤ D ②③④⑤ (1 分) 1-3. 焖米饭粘在锅表面上的饭粒,用水泡一会就很容易清洗,请说明原因。 答案:①饭粒与锅表面有范德华力和氢键作用,因此粘得比较牢固;②用水浸泡 后,饭粒(其中的碳水化合物等)就与水形成了更强的氢键,从而使饭粒与锅表 面作用力减弱,变得容易清洗。 (每个要点 1 分,共 2 分,说法不一定完全相同,但意思符合就得分) 1-4. 新陈代谢不仅需要酶,而且需要能量。碳水化合物是细胞主要能源物质 之一,脂肪是生物体内储存能量的主要物质。ATP 是新陈代谢所需能量的直接来 源,在有关酶的作用下,ATP 水解转化成 ADP 和磷酸盐: ATP + H2O = ADP + 磷酸盐
? -1 ? -1 已知 298.2 K 上述反应的 ? r Gm ,l ? ?30.58 kJ mol , ? r H m ,l ? ?20.10 kJ mol , 下面

本练习题共 10 页,第 1 页

计算中忽略温度对焓变和熵变的影响。 在碳水化合物中,1mol 的葡萄糖完全降解,消耗 2mol ATP,又将 38mol 的 ADP 转化成 ATP,计算在标准状况下,310.2 K(人体温度)时,1mol 的葡萄糖在人 体内完全降解过程中细胞内的储能 ? r G ;若 1mol 葡萄糖在空气中完全燃烧,放出 能量 ? r G 为 2936.80 kJ,计算细胞呼吸的能量效率。 答案:①根据数据得到反应“ATP + H2O = ADP + 磷酸盐”的熵变为:
?S ? ?H ? ?G ? 20100? ( ?30580 ) ? ? 35.14 (J mol-1 K-1) T 298.2

(2 分)

? 310.2 K(人体温度)时,反应“ATP + H2O = ADP + 磷酸盐”的 ? r Gm , l 为:
? ? r Gm .2 ? 35.14/ 1000? ?31.00(kJ mol-1) ,l ? ?20.10 ? 310

-1 ? 因此反应“ADP + 磷酸盐= ATP + H2O”的的 ? r Gm , l 为:31.00 kJ mol 。(1 分)

②1mol 的葡萄糖在人体内完全降解过程中细胞内的储能 ? r G 为:

? r G ? (38 ? 2) ? 31.00 ? 1116 .00 (kJ mol-1)
细胞呼吸的能量效率=
1116.00 ? 38.00% 。 2936.80

(1 分) (1 分)

(共 5 分,每步数值正确就得分,不分步计算,最后结果正确得全部分。) 1-5. 地球生物圈的新陈代谢速度很快。自 7 亿年前后有确凿化石记录以来, 宏观生物累计总质量约为 7×1024 吨,是地球质量的 1000 倍。可见,地球上有生 命以来地球表面物质已经通过生物体无数次了。我们知道原子是化学变化的最小 微粒,因此有人说:“任何一个原子在通过生物体的过程中一直保存下来,不会 变成其他的原子”。你认为这种说法是否正确,请给出理由。 答案:①不正确; 说法不正确。 (1 分) (1 分)

②某些放射性原子,如 14C,会发生衰变,衰变后变成其他原子,因此上述 (每个要点 1 分,共 2 分,说法不一定完全相同,但意思符合就得分) 第 2 题 (12 分) 含磷洗涤剂中的磷元素会引起水体的富营养化, 使得水中的藻类大 量繁殖,整个水体生态系统被破坏。因此无磷洗涤剂的推广使用成为必然。含磷 洗涤剂是指含有洗涤助剂三聚磷酸钠 Na5P3O10 的洗涤剂, 无磷洗涤剂一般用 4A 沸 石、柠檬酸钠、硅酸钠等代替三聚磷酸钠。在洗涤剂中,三聚磷酸钠的作用是: 作为螯合剂软化硬水,抑制钙、镁离子对表面活性剂洗涤作用的不良影响,又可 以使污垢易于解离、分散而被去除。 2-1. 画出三聚磷酸钠中阴离子结构示意图;

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答案:
O P O O O O P O O O P O O

5-

(共 2 分,没画出 P 的四面体结构扣 1 分,不标电荷扣 1 分。) 2-2. 三聚磷酸钠可以由磷酸一氢钠 Na2HPO4 和磷酸二氢钠 NaH2PO4 一起加热 制得。请写出制备三聚磷酸钠的化学反应方程式; 答案:2Na2HPO4 + NaH2PO4 = Na5P3O10 + 2H2O (共 1 分,方程式不配平不得分。) 2-3. 如图所示是 4A 沸石中硅(铝)氧四面 体连接形成的晶体结构图(可近似看成一个晶 胞,下面称为结构单元)。每个顶点代表一个 硅氧四面体或一个铝氧四面体,每个四面体的 结构如下面的球棍模型图,其中的小球为硅或 铝原子,大球是氧原子。每个 4A 沸石的上述结构单元中结合 27 个 水分子,硅和铝原子之比为 1:1, 所带的负电荷全部由 Na+中和。 请 写出 4A 沸石的化学式。 答案:每个结构单元中共有 24 个顶点,共含 Si 和 Al 原子 24 个,因此 Si 原子 12 个,Al 原子 12 个。 每个四面体分摊 O 原子 2 个,共有 48 个 O 原子。 4A 沸石的化学式为:Na12[Al12Si12O48]·27H2O Na4[Al4Si4O16]·9H2O 同样得分) 2-4. 5A 沸石的化学式除部分 Na+被 Ca2+取代外, 其他与 4A 沸石的化学式完全 相同。为了测定 5A 沸石中 Na+和 Ca2+含量,称取试样 0.3851g,首先使其中的 Na 和 Ca 全部定量转化为 NaCl 和 CaCl2,然后溶解于水,再用 AgNO3 处理,使 Cl完全沉淀得到 AgCl 沉淀 0.3063g,根据计算写出该 5A 沸石的化学式。 答案:设 5A 沸石的化学式为:Na12-2xCax[Al12Si12O48]·27H2O,则其相对分子质量
.27 ? 40.08x ? 22.99(12 ? 2 x ) 为: 1915

(1 分) (1 分) (1 分)

(共 3 分,直接写出分子式结果正确的也得 3 分。化学式写成最简式:

(1 分) (1 分)

设 0.3851g 试样含 5A 沸石 y mol,则得到方程:
[1915 .27 ? 40.08x ? 22.99(12 ? 2 x )]? y ? 0.3851
本练习题共 10 页,第 3 页

[2 x ? (12 ? 2 x )]? y ? 143.35 ? 0.3063

(1 分) (1 分) (1 分) (1 分)

解得: y ? 1.781? 10?4 (mol)
x ? 4.8 9 5

5A 沸石的化学式为:Na2.210Ca4.895[Al12Si12O48]·27H2O 计算过程,直接写出 5A 沸石的化学式不得分!)

(共 6 分,每步数值正确就得分,不分步计算,最后结果正确得全部分。但没有

第 3 题 (8 分) 化合物 X 用于制备一种无机导电聚合物,它的制备过程为:先将 NH3 气通入 S2Cl2 的 CCl4 或苯的热溶液,在生成 Y 的同时,生成单质硫和氨盐。 将 Y 的热蒸气在 520~570 K, 1× 102 Pa 压力下通过 Ag 催化剂即分解成 X。 Y和X 中氮的含量都是 30.40%,相对分子质量 Y 是 X 的 2 倍。X 是平面环状结构,分子
6 中有一个 ? 4 大 ? 键,对称性与乙烯一样。

3-1. 写出制备 Y 的化学方程式; 答案: 6S2Cl2 + 16NH3 = S4N4 + 8S + 12NH4Cl 或 6S2Cl2 + 16NH3 = S4N4 + S8 + 12NH4Cl (2 分) (共 2 分, 方程式不配平不得分! , 若再进一步写: 5S8 + 40NH3=4N4S4 + 24NH4HS 不扣分) 3-2. 画出 X 的结构;

S
答案:

N

N

S

(1 分,不画虚线不扣分,但严重偏离平行四边形或 NN,SS 在同一边不得分!) 3-3. 在室温下,X 晶体能慢慢地自发聚合成长链聚合物,画出该聚合物的结 构; 答案:
*

S N S

N
n

*

(2 分,不画虚线不扣分,但写下标 n 扣 1 分,若 NN,SS 直接相连不得分!) 3-4. 上述长链聚合物依然以晶体形式存在,这种晶体属于哪种类型的晶体? 简述理由。 答案:①混合型晶体;②链内是化学键作用,链间是分子间离,因此是混合(型) 晶体。 (每个要点 1 分,共 2 分,说法不一定完全相同,但意思符合就得分) 3-5. 上述长链聚合物能够导电,请说明它的导电性能比聚乙炔强还是弱。 答案:强 (1 分)

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第 4 题 (12 分) 化合物 A 只含金属 X 和氯元素,在水溶液中完全电离,生成氯离 子和一种阳离子,个数比为 4:1。取 2.002g A 溶于水, 加入过量 AgNO3 溶液, 生 成 1.147g 白色沉淀。经测定,A 中的阳离子由 X 和 Cl 两种元素构成,与 SF6 对 称性一样。所有 X 原子都在 C4 轴上,并且所有 X 原子的化学环境完全相同,但 C4 轴上没有 Cl 原子,任意两个相离最远的 Cl 原子的连线为此离子的 C3 轴。 4-1. 通过计算和推理确定 X 的元素符号; 答案:由于与 SF6 对称性一样,因此根据条件可推出阳离子为:[X6Cl8]4+。(3 分) 设 2.002g A 为 y mol,则:

4 y ? 143.35 ? 1.147, y ? 2.000? 10?3 (m o)l
设元素 X 的相对原子质量为 M,则:

(1 分) (1 分) (1 分)

(12 ? 35.45 ? 6M ) ? 2.000? 10?3 ? 2.002, M ? 95.93
查相对原子质量表,得知:X 为钼 Mo 元素。 4-2. 写出 A 的化学式, 阴阳离子分开写; 答案:[Mo6Cl8] Cl4 4-3. 指出 A 中阳离子的结构; 答案:Mo 在正八面体的顶点上,Cl 在正八面体三角形面的面心上面。 (2 分,不用文字说明,画图正确也得分!) 4-4. 指出 X 的配位数是几?

(1 分) (2 分)

答案:Cl 原子对 Mo 的配位数为 4,其他 Mo 原子对 Mo 的配位数也是 4。 (1 分) (1 分,只答配位数是 4 也得 1 分!) 4-5. X 之间是否成键? 若成键, 每个 X 与其他几个 X 成键? 若不成键, 说明原 因。 答案:成键,与 4 个原子成键。 (2 分) (2 分,每个答案 1 分。) 第 5 题 (10 分) 氟磺酸 HSO3F 具有较低的熔点、不太高的沸点和低的黏度,是一 种很有用的酸性溶剂。氟磺酸 HSO3F 是一种酸性很强的酸,其酸性比 HClO4 还要 强。 5-1 氟磺酸 HSO3F 自电离反应如下: 2HSO3F H2SO3F+ + SO3F- K?=[H2SO3F+][SO3F-]=10-8 与 H2O 体系的 pH 标度类似,可以建立氟磺酸 HSO3F 的 pH 体系。根据上述数据 建立这种标度,确定 pH 的范围,以及碱性、中性、酸性溶液的 pH; 答案:pH 范围是 0~8,碱性 pH>4、中性 pH=4、酸性 pH>4。 (2 分,每个答案 0.5 分。答 1~8 也得满分。)
本练习题共 10 页,第 5 页

5-2 写出 KCl、HCl、NOCl 与氟磺酸 HSO3F 反应的方程式; 答案:KCl + HSO3F = HCl + KSO3F 或 Cl -+ HSO3F = HCl + SO3F(进一步写:HCl + HSO3F = H2Cl+ + SO3F- 不扣分,写成 Cl -+ 2HSO3F = H2Cl ++2SO3F- 也得分。) HCl + HSO3F = H2Cl ++ SO3F NOCl + HSO3F = HCl + NOSO3F (进一步写: HCl + HSO3F = H2Cl+ + SO3F- 不扣分, 写成 NOCl + 2HSO3F = H2Cl ++ NOSO3F+ SO3F- 也得分。) (3 分,每个方程式 1 分。) 5-3 在氟磺酸 HSO3F 中加入 SbF5 可以生成酸性更强的“超酸”(或称为“魔 酸”),写出生成超酸的方程式,并说明 SbF5 是路易斯碱还是路易斯酸; 答案:2HSO3F + SbF5 = SbF5· OSO2F- + H2SO3F+ 或 2HSO3F + 2SbF5 = [2SbF5]· OSO2F- + H2SO3F+ (2 分,不配平不得分。) SbF5 是路易斯酸。 (1 分) (2 分)

5-4 在-78℃ 超酸 HSO3F· SbF5 体系中,H2CO3 可以接受质子。画出 H2CO3 接 受质子所生成离子的结构式,并说明 C 原子的杂化方式。 答案:
O H O C O H H

+

C 采取等性 sp2 杂化。 (共 2 分,结构式 1 分,没有显示 HOC 为角形直接写-OH 不得分。答等性 sp2 杂 化 1 分,直接写 sp2 杂化,也得 1 分。) 第 6 题(11 分)二恶英 (Dioxin) ,又称二氧杂芑,是一种无色无味、毒性严重 的脂溶性物质,二恶英实际上是二恶英类( Dioxins )物质的简称,它指的并 不是一种单一物质,而是结构和性质都很相似的包含众多同类物或异构体的 两大类有机化合物,全称分别是氯代二苯并二恶英 polychlorinated dibenzofuran (简 称 PCDFs ,即结构 2 的氯取代 物) 。每个苯环上都可以取代 1 ~ 4 个氯原子,从而形成众多的异 构体。二恶英的毒性非常大,是
本练习题共 10 页,第 6 页
O O O

polychlorinated

dibenzo-p-dioxin (简称 PCDDs ,即结构 1 的氯取代物)和氯代二苯并呋喃

1

2

氰化物的 130 倍、砒霜的 900 倍,有 “ 世纪之毒 ”之称。国际癌症研究中心已 将其列为人类一级致癌物。据环保专家称,二恶英常以微小的颗粒存在于大 气、土壤和水中,主要的污染源是化工冶金工业、垃 圾焚烧、造纸以及生产 杀虫剂等产业。日常生活所用的胶袋,PVC(聚氯乙烯)软胶等物都含有氯, 燃烧这些物品时便会释放出二恶英,悬浮于空气中。 6-1.求出 PCDDs 的所有异构体数目; 答案:一氯取代物异构体数目为: 2 二氯取代物异构体数目为: 10 三氯取代物异构体数目为: 14 四氯取代物异构体数目为: 22 五氯取代物异构体数目为: 14 六氯取代物异构体数目为: 10 七氯取代物异构体数目为: 2 八氯取代物异构体数目为: 1 总异构体数目为: 75 (共 8 分,一到六取代物及总异构体数目每答对 1 个得 1 分,七和八取代物 答对 1 个得 0.5 分) 6-2.画出 PCDDs 中所有与乙烯对称性一样的化合物的结构式。 答案:
Cl O Cl Cl O Cl Cl Cl O Cl Cl

Cl

O

Cl Cl

O Cl

Cl Cl

O Cl

Cl

(共 3 分,每个结构式 1 分。) 第 7 题(7 分)我们知道,若某种金属 M 采取最密堆积,用 A,B,C 表示堆积中 不同的密置层,完成下面与密堆积有关的题目。 7-1. 若在立方最密堆积的结构中, 每隔两个密置层去掉一个密置层, 如在?? ABCABC??堆积中去掉 A 层,剩余部分相邻层之间与??ABCABC??中层与 层间的关系一样紧密接触,这时堆积方式成为:??BCBC??,画出这种堆积方 式所对应正当晶胞的结构图,并写出晶胞中各个原子的分数坐标; 答案:
2 1 1 1 2 1 分数坐标: (0,0,0), ( , , ) 或 (0,0,0), ( , , ) 3 3 2 3 3 2

(共 4 分,结构图 2 分,分数坐标 2 分,每个分数坐标 1 分。)
本练习题共 10 页,第 7 页

7-2. 在金属 M 形成的立方最密堆积结构中,每两个密置层中间加入一个非金 属元素 X 的密置层,用 a,b,c 表示 X 不同的密置层,若 M 和 X 形成的晶体的 堆积方式为??AbBaAbB??,画出这种堆积方式所对应正当晶胞的结构图; 答案: (结构图 2 分)

7-3. 若在金属 M 形成的立方最密堆积结构中,每两个密置层中间加入一个非 金属元素 Y 的密置层,用 a,b,c 表示 Y 不同的密置层,M 和 Y 形成的某晶体的 堆积方式为??AcBaCbAcBaCb??, 指出这种堆积方式对应哪种离子晶体结构类 型。 答案:对应 NaCl 型,或岩盐型。 (1 分)

第 8 题(7 分)邻氯苯甲醛是重要的化工中间体,主要用于医药和染料合成。邻氯 苯甲醛传统的生产过程中产生大量的有毒废液,污染环境且流程复杂,产率低。 电氧化法生产邻氯苯甲醛只消耗电能,无污染排出,符合当今环境友好的要求。 该法在电解槽内进行, 加入配好的 MnSO4 与 H2SO4 的混合溶液, 进行恒电流电解, 将 Mn2+全部转化成 Mn3+后,停止电解。然后加入一定量的邻氯甲苯,控温搅拌反 应,至溶液由紫色变为无色为反应结束,得到邻氯苯甲醛。写出上述过程的相应 反应式。 已知:φ?(Mn3+/Mn2+)= 1.51V;φ? (H+/H2) =0.0V;酸性溶液中 φ? (O2/H2O) =1.23 V 答案:阳极反应: Mn2+-e- = Mn3+ 阴极反应: 2H+ + 2e- = H2 涉及邻氯甲苯转化为邻氯苯甲醛的总反应:

CH3 Cl + 4Mn3+ + H2O

CHO Cl + 4Mn2+ +4 H+

CH3 Cl + 4Mn3+ + H2O+4SO42-

CHO Cl + 4Mn2+ +4 HSO4-

(共 7 分,阳极反应 1 分,阴极反应 2 分,总反应 4 分。总反应写成上述之一都 得 4 分) 第 9 题(13 分)治疗和预防胃肠病和肝病的新药开发一直是医药企业研究的热点, 最近,LG Chem 公司合成了一种治疗和预防胃肠病和肝病的新药 F,其合成路线
本练习题共 10 页,第 8 页

如下。
O O H N O H
NH2OH, Na2CO3 EtOH, H2O

A

NCS, DMF 40oC

B

(C10H19O3N2Cl)

Et3N, Et2O

O H2C O

H2N

N O O O O OH

CF3COOH, CH2Cl2

C

-78oC

Et3N, DMF -H2O

D
Et3N, DMF -H2O

NaOH, H2O THF

E
O H2N O O O

F
9-1 画出 A、B、C、D、E 和 F 的结构简式。 答案:
O O H N N H O O H N OH N N O Cl O O
NH

OH

O O

A

B

C

N O
NH

N O O O O
NH

ONa O

O

D

E

N O
NH

H N O

O O O O

O

F

(共 12 分,A、B、C、D、E 和 F 的结构简式每个 2 分,共 12 分) 9-2 指出生成 A 的反应类型。

本练习题共 10 页,第 9 页

答案:加成-消去反应,答加成,消去,缩合都得分。 第 10 题(8 分)化合物 A 是合成雌酮激素的中间体,人们 采取下列方法合成了化合物 A:

(1 分)
O H3CO

A

O

+

O O

AlCl3

B

HNO3 H2SO4

C

Zn/HCl

D

NaNO2
o

H+

H2SO4,0-5 C H2O

E

(CH3O)2SO4, NaOH

A
写出 B、C、D、E、F 和 G 的结构简式。 答案:
O COOH O2N O

(CH3)2CuLi

G

SOCl2

F

COOH

H2N

COOH

B
OH COOH H3CO

C
COOH H3CO

D

COCl

E

F

G

(C,E 各 2 分,其余每个 1 分,共 8 分)

本练习题共 10 页,第 10 页


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