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2001年全国高中学生化学竞赛初赛试题(Word版附答案)


年全国高中学生化学初竞赛试题(附答案) 2001 年全国高中学生化学初竞赛试题(附答案)
(2001 年 10 月 13 日 9︰00-12︰00 共计 3 小时)

H
1.008

相对 原 子 质 量
O B C N F 10.81 12.01 14.01 16.00 19.00 Al Si P S Cl 26.98 28.09 30.97 32.07 35.45 Ge As Se Ga Br 69.72 72.61 74.92 78.96 79.90 In Sn Sb I Te 114.8 118.7 121.8 127.6 126.9 Po At Tl Pb Bi 204.4 207.2 209.0 [210] [210]

Li Be 6.941 9.012 Na Mg 22.99 24.31 K Ca Sc Ti V 39.10 40.08 44.96 47.88 50.94 Sr Rb Y Zr Nb 85.47 87.62 88.91 91.22 92.91 Hf Ta Cs Ba 132.9 137.3 La-Lu 178.5 180.9 Fr Ra [223] [226] Ac-Lr

Cr 52.00 Mo 95.94 W 183.9

Co Ni Cu Zn Mn Fe 54.94 55.85 58.93 58.69 63.55 65.39 Ru Rh Pd Ag Cd Tc 98.91 101.1 102.9 106.4 107.9 112.4 Re Ir Pt Au Hg Os 186.2 190.2 192.2 195.1 197.0 200.6

He 4.003 Ne 20.18 Ar 39.95 Kr 83.80 Xe 131.3 Rn [222]

试题·答案·评分标准· 试题·答案·评分标准·注释 蓝色为答案, 蓝色为答案,红色为评分标准与注释 第 1 题(4 分)今年 5 月底 6 月初,各地报刊纷纷转载了不要将不同品牌洁污剂混合使用 的警告。据报道,在全国各地发生了多起混合洁污剂发生氯气中毒的事件。根据你的化学 知识作出如下判断(这一判断的正确性有待证明) :当事人使用的液态洁污剂之一必定含 — — 氯,最可能的存在形式是 ClO 和 Cl 。 (各 1 分)当另一种具有酸性(1 分) (性质)的液 — — (1 态洁污剂与之混合, 可能发生如下反应而产生氯气: ClO + Cl + 2H+ = Cl2 + H2O 。 分) (注:不写离子方程式或不配平不得分。 ) 第 2 题(2 分)自然界中,碳除了有 2 种稳定同位素 12C 和 13C 外,还有一种半衰期很长 的放射性同位素 14C,丰度也十分稳定,如下表所示(注:数据后括号里的数字是最后一 : 位或两位的精确度,14C 只提供了大气丰度,地壳中的含量小于表中数据) 同位素 12 C 13 C 14 C 相对原子质量 12(整数) 13.003354826 (17) 14.003241982 (27) 地壳丰度(原子分数) 0.9893 (8) 0.0107 (8) 1.2×10–16(大气中)

试问:为什么通常碳的相对原子质量只是其稳定同位素的加权平均值而不将 14C 也加入 取平均值? 答:14C 不加权不会影响计算结果的有效数字,因其丰度太低了。 分) (2 (注:涉及有效数 字的任何表述均得满分,未涉及有效数字的不得分,如答:放射性元素不应加权求取相对 原子质量之类。 ) 第 3 题(4 分)最近报道在 –100oC 的低温下合成了化合物 X,元素分析仪得出其分子式 为 C5H4, 红外光谱和核磁共振表明其分子中的氢原子的化学环境没有区别, 而碳的化学环 境却有 2 种,而且,分子中既有 C—C 单键,又有 C=C 双键。温度升高将迅速分解。
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X 的结构式是: (4 分)
H H H H

(注:平面投影图也按满分计。 )参考图形: 第 4 题(10 分)去年报道了,在–55oC 令 XeF4(A)和 C6F5BF2(B)化合,得一离子化合 物(C) ,测得其中 Xe 的质量分数为 31%,阴离子为四氟硼酸根离子,阳离子结构中有 B 的苯环。C 是首例有机氙(IV)化合物,–20oC 以下稳定。C 为强氟化剂和强氧化剂,如与 碘反应得到五氟化碘,放出氙,同时得到 B。 4-1 写出 C 的化学式,正负离子应分开写。答:C6F5XeF2+BF4–(1 分) 4-2 根据什么结构特征把 C 归为有机氙化合物? 答:分子中有 C—Xe 键。 分) (2 (答: “分子中存在氙和有机基团”得 1 分) 4-3 写出 C 的合成反应方程式。 答: XeF4 + C6F5BF2 = C6F5XeF2+BF4–(1 分) (注:用“→”代替“=”不扣分;离子加方 括号得分相同;画出五氟代苯基结构不加分) 。 4-4 写出 C 和碘的反应。 答:5 C6F5XeF2+BF4–- + 2 I2 = 4 IF5 + 5 Xe + 5 C6F5BF2 (2 分) (注:不配平不得分) 4-5 画出五氟化碘分子的立体结构。
F F I F F F

(4 分) (注:4-5 的答案需应用初赛基本要求规定的 VSEPR 模型才能得出。只要正确表述出 四方锥体都得满分,表述形式不限。 ) 第 5 题(5 分)今年 3 月发现硼化镁在 39K 呈超导性,可能是人类对超导认识的新里程碑。 在硼化镁晶体的理想模型中,镁原子和硼原子是分层排布的,像维夫饼干,一层镁一层硼 地相间,图 5-1 是该晶体微观空间中取出的部分原子沿 c 轴方向的投影,白球是镁原子投 影,黑球是硼原子投影,图中硼原子和镁原子投影在同一平面上。

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图 5-1 硼化镁的晶体结构示意图

或 a = b ≠ c,c 轴向上(3 分)

5-1 由图 5-1 可确定硼化镁的化学式为:MgB2 (2 分) (注:给出最简式才得分) 5-2 在图右的方框里画出硼化镁的一个晶胞的示意图,标出该晶胞内、面、棱、顶角上可 能存在的所有硼原子和镁原子(镁原子用大白球,硼原子用小黑球表示) 。 (注:任何能准确表达出 Mg:B = 1:2 的晶胞都得满分,但所取晶胞应满足晶胞是晶体 微观空间基本平移单位的定义,例如晶胞的顶角应完全相同等。 ) 第 6 题(8 分)Mn2+离子是 KMnO4 溶液氧化 H2C2O4 的催化剂。有人提出该反应的历程为:

Mn(VII)

Mn(II)

Mn(II) Mn(VI)

Mn(II) C 2O4 3-2n Mn(IV) Mn(III) Mnn (C2O4)2n

2-

Mn

2+

+ CO2

请设计 2 个实验方案来验证这个历程是可信的(无须给出实验装置,无须指出选用的 具体试剂,只需给出设计思想) 。 1.对比实验:其一的草酸溶液中加 Mn2+离子,另一不加。在滴加 KMnO4 溶液时, 加 Mn2+者反应速率快。 分) (4 2. 寻找一种试剂能与 Mn(VI)、 Mn(IV)或 Mn(III)生成配合物或难溶物; 加入这种试剂, 反应速率变慢。 分) (4 (注:表述形式不限。其他设计思想也可以,只要有道理都可得分。 ) 第 7 题(10 分)某不活泼金属 X 在氯气中燃烧的产物 Y,溶于盐酸得黄色溶液,蒸发结 晶,得到黄色晶体 Z,其中 X 的质量分数为 50%。在 500 mL 浓度为 0.100 mol/L 的 Y 水 溶液中投入锌片,反应结束时称得固体总质量为 4.95 g。 X 是 Au(2 分) 是 AuCl3(2 分) 是 HAuCl4·3H2O(2 分) ;Y ;Z 推理过程如下: 要点 1:X 为不活泼金属,设为一种重金属, 但熟悉的金属或者其氯化物与锌的置换反应得 到的产物的质量太小,或者其水溶液颜色不合题意, 均不合适, 经诸如此类的排他法假设 X 为金,由此 Y=AuCl3,则置换反应的计算结果为: 2 AuCl3 + 3 Zn = 3 ZnCl2 + 2 Au 反应得到 Au 的质量 = 0.100 mol/L x 0.500 L x 197 g/mol = 9.85 g 反应消耗 Zn 的质量 = 0.100 mol/Lx0.500 Lx65.39 g/mol x 3/2 = 4.90 g 反应后得到的固体质量增重:9.85 g – 4.90 g = 4.95 g (2 分) 要点 2: 由 AuCl3 溶于盐酸得到的黄色晶体中 Au 的含量占 50%, 而 AuCl3 中 Au 的含量达 65%, 可见 Z 不是 AuCl3, 假设为配合物 HAuCl4, 含 Au 58%, 仍大于 50%, 故假设它是水 合物, 则可求得: HAuCl4· 3H2O 的摩尔质量为 393.8 其中 Au 的含量为 197/394 = 50%。
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(2 分) 其他推理过程,只要合理,也得满分。 第 8 题(11 分)新药麦米诺的合成路线如下:
Cl O CH 3SH
CH 3S O

H 2NNH 2

NHNH 2 CH 3S OH

A

B
(CH 3O)2CO

C

E
O O2N O CH N N O O2N O CH(OCH 3)2

O H2N N O CH2SCH3

F
8-1

CH 2SCH 3

D

确定 B、C、D 的结构式(填入方框) 。(各 2 分,共 6 分)

8-2 系统命名:B 为 3-硫甲基-1,2-环氧丙烷或甲基-2,3 环氧丙基硫醚;C 为:3-羟基 -4-硫甲基-丁肼 或 1-硫甲基-4-肼基-2-丁醇 (各 2 分,共 4 分) 8-3 CH3SH 的物理状态最可能是气态,作出以上判断的理由是 H2O 和 CH3OH 为液态主 气 要是由于存在分子间氢键, H2S 无氢键而呈气态, CH3SH 也无氢键, 故也可能也是气态。 (1 o 分)(其他理由只要合理均得满分。注:其沸点仅 6 C; 常识: 它是燃气的添味剂, 其恶臭可 导致燃气泄露的警觉。本题的答案可用倒推法得出,只需有取代、缩合等概念而无须预先 具备本题涉及的具体反应的知识)。 第 9 题(10 分)1997 年 BHC 公司因改进常用药布洛芬的合成路线获得美国绿色化学挑战 奖: 旧合成路线:
CH 3 CH 3 CH3 CH3 C C O AlCl3 催催催 CH 3 CH3 O A O O CH 3 ClCH2COOC2H5 NaOC2H5
CH 3

CH 3 CH 3 CH 3

O H COOC 2H5

CH3 H
+

CH 3 CH3

H

C O

HONH 2 _H O 2

CH 3 CH 3

H

C NO H

B CH 3

CH 3 C

O
OH

N
C

_H O 2

H3O

+

C CH 3 布布布 CH 3

CH 3 CH 3

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新合成路线:
O CH3 CH3 CH 3 CH 3 C O C O AlCl3 催催催 CH 3 CH 3 O CH 3

A

H2 Ni催催催 CH 3 CH 3 OH

CH 3 CO

布布布
Pd催催催

D

9-1 写出 A、B、C、D 的结构式(填入方框内) 。(各 2 分;共 8 分。不标出非甲基碳上 的 H 不扣分。注:本题除第 1 个反应外,其他反应可用倒推法得出答案。) 9-2 布洛芬系统命名: 2-[对-异丁苯基]-丙酸 或 2-[4’-(3’’-甲基丙基)-苯基]-丙酸(2 分)

第 10 题(5 分)最近有人用一种称为“超酸”的化合物 H(CB11H6Cl6) 和 C60 反应, 使 C60 - 获得一个质子,得到一种新型离子化合物[HC60]+[CB11H6Cl6] 。回答如下问题: 10-1 以上反应看起来很陌生,但反应类型上却可以跟中学化学课本中的一个化学反应相 比拟,后者是:NH3+HCl = NH4Cl (2 分) (注:答其他非质子转移的任何“化合反应”得 1 分)。 - 10-2 上述阴离子[CB11H6Cl6] 的结构可以跟图 10-1 的硼二十面体相比拟,也是一个闭合 - 的纳米笼,而且,[CB11H6Cl6] 离子有如下结构特征:它有一根轴穿过笼心,依据这根轴 o 旋转 360 /5 的度数,不能察觉是否旋转过。请在图 10-1 右边的图上添加原子(用元素符 号表示)和短线(表示化学键)画出上述阴离子。

答案:
H Cl Cl Cl B B C B B Cl B Cl

H H

B B B B Cl H

B

B

H H

(3 分) 参考图形: (注:硼上氢氯互换如参考图形仍按正确论,但上下的 C、B 分别连接 H 和 Cl,不允许互 换。 )
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第 11 题(10 分)研究离子晶体,常考察以一个离子为中心时,其周围不同距离的离子对 它的吸引或排斥的静电作用力。设氯化钠晶体中钠离子跟离它最近的氯离子之间的距离为 d,以钠离子为中心,则:11-1 次近的第二层离子有 12 个,离中心离子的距离为 2d , 它们是钠离子。(各 1 分,总 3 分) 钠 11-2 已知在晶体中 Na+离子的半径为 116 pm,Cl-离子的半径为 167 pm,它们在晶体中是 紧密接触的。求离子占据整个晶体空间的百分数。 (总 1 分) 答案: 晶胞体积 V = [2x(116pm+167pm)]3 = 181x106 pm3 离子体积 v = 4x (4/3)π(116pm)3+4x (4/3)π(167pm)3 = 104x106 pm3 v/V = 57.5 % (1 分) (有效数字错误扣 1 分,V 和 v 的计算结果可取 4 位,其中 最后 1 位为保留数字,不扣分。 ) 11-3 纳米材料的表面原子占总原子数的比例极大,这是它的许多特殊性质的原因,假设 某氯化钠纳米颗粒的大小和形状恰等于氯化钠晶胞的大小和形状,求这种纳米颗粒的表面 原子占总原子数的百分比。 (总 1 分) 答案: 表面原子为 8(顶角)+6(面心) +12(棱中心) = 26 总原子数为 8(顶角)+6(面心) +12(棱中心)+1(体心) = 27 表面原子占总原子数 26/27 x 100% = 96 %(1 分) 注:26 和 27 均为整数值,比值 26/27 是循环小数 0.962, 取多少位小数需根据实际应用而 定, 本题未明确应用场合,无论应试者给出多少位数字都应按正确结果论。 11-4 假设某氯化钠颗粒形状为立方体, 边长为氯化钠晶胞边长的 10 倍, 试估算表面原子 占总原子数的百分比。 (总 5 分) 答案: 计算分两个步骤: 步骤一:计算表面原子数。 可用 n = 2、3 的晶胞聚合体建立模型,得出计算公式,用以计算 n = 10。例如,计算 公式为: [8] + [(n-1)x12] + [nx12] + [(n-1)2x6] + [n2x6] + [(n-1)xnx2x6] 顶角 棱上棱交点 棱上棱心 面上棱交点 面上面心 n = 10,表面原子总数为 2402 面上棱心

(2 分)

步骤二:计算晶胞聚合体总原子数: n3x8 + [8]x7/8 + [(n-1)x12]x3/4 + [nx12]x3/4 + [(n-1)2x6]/2 + [n2x6]/2 + [(n-1)xnx2x6]/2 = 8000+ 7 + 81 + 90 + 243 + 300 + 540 = 9261 (2 分) 表面原子占总原子数的百分数: (2402/9261)x100% = 26% (1 分) (总 5 分) (注:本题计算较复杂,若应试者用其他方法估算得出的数值在 26% 左右 2 个百分点以 内可得 3 分,3 个百分点以内可得 2 分,其估算公式可不同于标准答案,但其运算应无误。 本题要求作估算,故标准答案仅取整数,取更多位数不扣分。 )
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第 12 题(11 分)设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是 21 世纪最富有挑战性的课题 之一。最近有人制造了一种燃料电池,一个电极通入空气,另一电极通入汽油蒸气,电池 的固体电解质是晶格掺杂了 Y2O3 的 ZrO2 固体,它在高温下能传导 O2-离子。回答如下问 题: 12-1 以丁烷代表汽油,这个电池放电时发生的化学反应的化学方程式是:2 C4H10 + 13 O2 = 8 CO2 + 10 H2O (1 分)(必须配平; 所有系数除 2 等方程式均应按正确论。) 12-2 这个电池的正极发生的反应是: 2 +4e = 4 O2– (2 分)(O2 取其他系数且方程式配平也 O 给满分。) 负极发生的反应是: 4H10 + 13O2– –26e = 4 CO2 + 5 H2O 分) C (2 (系数加倍也满分。 ) 固体电解质里的 O2–的移动方向是:向负极移动; 分;答向阳极移动或向通入汽 (1 油蒸气的电极移动也得满分。 ) 向外电路释放电子的电极是: 负极。 分; (1 答阳极或通入汽油蒸气的电极也得满分) 12-3 人们追求燃料电池氧化汽油而不在内燃机里燃烧汽油产生动力的主要原因是: 燃料 电池具有较高的能量利用率。 分) (2 (答内燃机能量利用率较低也满分;用热力学第二定 律解释等,得分相同。 ) 12-4 你认为在 ZrO2 晶体里掺杂 Y2O3 用 Y3+代替晶体里部分的 Zr4+对提高固体电解质的导 电能力会起什么作用?其可能的原因是什么?答: 为维持电荷平衡, 晶体中的 O2–将减少 (或导致 O2–缺陷)从而使 O2–得以在电场作用下向负极(阳极)移动 。(1 分)(表述不限,要 ) 点是:掺杂晶体中的 O2–比纯 ZrO2 晶体的少。 12-6 汽油燃料电池最大的障碍是氧化反应不完全产生碳(或炭粒等)堵塞电极的气体通 炭粒等 碳 道。有人估计,完全避免这种副反应至少还需 10 年时间,正是新一代化学家的历史使命。 (1 分) (10 分) 溴酸钾测定苯酚纯度的步骤如下: 称取含苯酚 0.6000 g 的试样溶于 20.00 第 13 题 mL 0.1250 mol/L 的 KBrO3 溶液(该溶液含过量的 KBr) ,加酸酸化,放置,待反应完全后 加入 KI,而后用 0.1050 mol/L Na2S2O3 溶液滴定生成的碘, 滴定终点为 20.00 mL。计算试 样中苯酚的质量分数。 答案: KBrO3(1mol) ~ 3Br2(3mol) ~ C6H5OH(1mol) ~ 6S2O32–(6mol) 0.1250 mol/L x 0.02000 L – 0.1050 mol/L x 0.02857 L/6 = 2.000x10–3 mol (2.000x10–3 mol/L x 94.11 g/mol / 0.6000 g) x 100 % = 31.57 % (10 分) 2 个算式若是正确的但运算出错可各得 2 分。 若利用化学方程式计算,需列出 4 个化学方程式,方程式正确可各得 1 分。 本题的有效数字为 4 位。若最后结果的有效数字错误扣 1 分。

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