第24届国际化学奥林匹克竞赛理论试题及答案-掌门1对1.pdf

1992 年第 24 届国际化学奥林匹克竞赛理论试题 美国华盛顿 7 月 11 22 日 第 1 页 共 10 页 19199292 年第年第 2 24 4 届国际化学奥林匹克竞赛理论试题届国际化学奥林匹克竞赛理论试题 注意事项注意事项 1 当监考人员将 开始 start 写在黑板上后才开始答题 2 请用黑色笔 黑墨水笔或黑圆珠笔 答题 3 请在每页答卷的右上角写上你的参赛编号 4 请将计算过程和答案写在每题后面的空白处 勿写在纸的反面 若需另页 可向监考人员索取 原子量原子量 H 1 C 12 N 14 O 16 Na 23 Si 28 P 30 S 32 Cl 35 5 K 39 Ca 40 Cr 52 Fe 56 Ag 108 物理常数物理常数 R 8 314J mol 1 K 1 8 314m3 Pa mol 1K 1 F 96486C mol 1 1 硅藻 一种微生物 是海洋中丰富的食物来源 它们通过 CO2和水的光合作用产生碳水化合物 即醣 6CO2 6H2O 太阳能 C6H12O6 6O2 a 蓝鲸靠捕食一种称之为 Krill 的小鱼生长 在其头 5 年的生长期内体重每天增加 75kg 鲸每天 吃掉的小鱼量是它自身体重增加量的 10 0 倍 而小鱼 Krill 需吃掉 10 0kg 硅藻才增加 1 0kg 体重 假 定鲸在头 5 年内体重的增加完全是由于消耗硅藻碳水化合物 则为提供给该鲸在头 5 年内生长中所需要的 硅藻碳水化合物 硅藻要消耗多少升 CO2 0 1 0atm b i 在 24 和 1 0atm 下 每升海水溶解 0 23mlCO2 若硅藻能从水中把 CO2全部除去 则必须处理多 大体积的水才能产生蓝鲸在 5 年内所需要的碳水化合物 ii 假如海水的总体积是 1 37 10 18m3 1000 头蓝鲸在 5 年生长中所消耗的 CO 2 这些 CO2是硅藻用来 产生碳水化合物的 应该由这一总体积的百分之多少的水来溶解 c 成年鲸质量的 3 是氮 质量为 9 1 10 4kg 的鲸死亡后所产生的 NH 4 的最大质量是多少 这些 NH 4 可为水生物利用 d 鲸的质量的 18 是碳 碳被转化成 CO2进入大气 然后又可通过含有硅酸钙的岩石的风化从大气中 除去 CaSiO3 s 2CO2 g 3H2O l Ca 2 aq 2HCO 3 aq H 4SiO4 aq 估计每年大约有 1000 头蓝鲸死亡 从这些死鲸的分解中所产生的 CO2风化 CaSiO3 问最多能风化多少 克 CaSiO3 2 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到含氧的水中 这些小溪变成酸 性 溪水中含有溶解的铁和硫酸盐 它们的浓度都很高 最常见的含硫矿是黄铁矿 FeS2 其中铁的氧化 态是 2 当富含铁的溪水和其他水混合时 溶于水的铁以针铁矿 FeO OH 的形式沉淀出来 覆盖小溪的 底部 而水仍保持酸性 a 画出 2 2 S的价键结构 用小黑圆点表示电子 表出全部电子 b 写出表明黄铁矿在小溪中被氧化而形成 Fe 和硫酸根离子的配平的方程式 c 写出表明 Fe 离子被氧化而生成 FeO OH 沉淀的配平的化学反应方程式 d 如果黄铁矿全部转化成 FeO OH 和氢离子 计算 需多少摩尔的 FeS2使 1 0 升纯水的 pH 降到 3 0 不考虑 HSO4 的形成 e 小溪中Fe 离子的浓度是0 00835mol L 溪水从一个很小的孔流入一个很大的池塘 流速为20 0 升 分钟 溪水中有 75 的 Fe 被氧化为 Fe 池塘中水的 pH 很高 pH 7 因而 Fe 马上沉淀 为 Fe OH 3 经老化 变为 Fe2O3 计算两年内有多少克 Fe2O3将在池塘底部沉淀出来 3 从松树中分离得到的松柏醇 其分子式为 C10H12O3 a 松柏醇既不溶于水 也不溶于 NaHCO3水溶液 但当 Br2的 CCl4溶液加入松柏醇后 溴溶液的颜色 消失而形成 A C10H12O3Br2 当松柏醇进行臭氧化及还原反应后 生成香荚醛 4 羟基 3 甲氧基苯甲醛 和 B C2H4O2 在碱存在下 松柏醇与苯甲酰氯 C6H5COCl 反应 形成化合物 C C24H20O5 此产物使 KMnO4 aq 褪色 它不溶于稀 NaOH 溶液 松柏醇与冷的 HBr 反应 生成化合物 D C10H11O2Br 热的 HI 可使 ArOR 转变 为 ArOH 和 RI 而松柏醇与过量的热 HI 反应 得到 CH3I 和化合物 E C9H9O2I 在碱水溶液中 松柏醇与 CH3I 反应 形成化合物 F C11H14O3 该产物不溶于强碱 但可使 Br2 CCl4溶液褪色 请写出化合物 B C D E F 及松柏醇的结构 b 化合物 A 可有几种立体异构体 请画出化合物 A 的结构 用 号标出 A 中的手征中心 对其全 部立体异构体 画出它们的费歇尔 Fischer 投影 以下图为例 并用 R 或 S 来表示它们结构中手征中心 的绝对构型 1992 年第 24 届国际化学奥林匹克竞赛理论试题 美国华盛顿 7 月 11 22 日 第 2 页 共 10 页 CH2OH 4 某萜烯醇 A C10H18O 经选择性氧化得到的产物或是一个十碳原子的醛 或是一个十碳原子的羧酸 A 与二摩尔的溴反应 生成一个四溴化合物 分子式为 C10H18OBr4 B A 经臭氧解 氧化反应后 生成下述三 个化合物 CH3CO CH3 OC OH CH2CH2C CH3 OOC OH CO OH 化合物 A 也能与氢溴酸 HBr 反应 生成几种化合物 包括分子式为 C10H17Br 的两个开链的溴化物 a 画出化合物 A 的结构 b 画出化合物 B 的结构 c 画出分子式为 C10H17Br 的两个开链溴化物的结构 d 用反应结构式表示出 C 中两个溴化物形成的历程 5 二氧化氮是大气中许多含氮氧化物之一 它可二聚成 N2O4 g a NO2 g 是顺磁性的 用共振方式 写出 NO2 g 的点电子结构式 用圆点表示电子 b N2O4是反磁性的 写出其点电子结构式 c 在 298K N2O4 g 的生成自由能是 98 28kJ mol 1 NO 2 g 的生成自由能是 51 84kJ mol 1 在 1 0atm 和 298K 从 1molN2O4 g 开始反应 若总压力恒定在 1 0atm 温度恒定在 298K 则有百分之多少的 N2O4 g 分解 d 若反应 N2O4 g 2NO2 g 的 H 是 58 03kJ mol 1 在什么温度下 N 2O4 g 分解的百分数是 c 中计算结果的两倍 假定熵和焓不随温度变化 e N2O4 g 解离成 NO2 g 的反应是一级反应 在 298K 比速率常数是 5 3 10 4s 1 N 2O4 g 分解 20 需 多长时间 f NO2 g 二聚成 N2O4 g 是二级反应 在 298K 比速率常数是 9 8 10 6L mol 1 s 1 它的逆反应是 一级反应 比速率常数是 5 3 10 4S 1 请根据这些数据计算反 2NO 2 g N2O4 g 在 298K 时的浓度平衡常数 Kc 6 本世纪大气中 CO2的含量大大增加 预期今后将继续增加 有人预测 到 2020 年大气中 CO2的分压 可达到大约 4 40 10 4atm 有关热力学数据如下 25 总压 1 00atm 下 CO2 在水中 的享利常数是 0 0343mol L 1 atm 1 fG kJ mol 1 fH kJ mol 1 CO2 aq 386 2 412 9 H2O 1 237 2 285 8 HCO3 aq 587 1 691 2 H aq 0 0 0 0 解答下列问题时 温度用 25 总压力为 1 0atm a 计算下列反应的平衡常数 K CO2 aq H2O 1 H aq HCO 3 aq b 计算 2020 年溶解在与大气平衡的蒸馏水中的 CO2的浓度 以 mol L 1为单位 c 计算上述溶液 即 b 中溶液 的 pH 值 d 计算 CO2 aq 和 H2O 反应的焓变 e 若 CO2和 H2O 的反应已达平衡 溶液的温度升高 而溶解的 CO2的浓度不变 则溶液的 pH 值改变 判断 pH 升高还是降低 圈出正确的答案 升高 降低 7 当流向 Chesapeake 海湾的淡水河在春季大雨后洪水泛滥时 海湾中淡水的增加引起海蚝坜生长地 带盐分的减少 海坜正常生长所需最低的氯离子浓度是 8ppm 亦可近似表示为 8mg L 1 a 一周大雨之后 对海湾的水进行分析 向 50 00ml 海湾水样中加几滴 K2CrO4指示剂 用 16 16ml 浓度为 0 00164mol L 1的 AgNO 3溶液滴定 终点时形成明显的砖红色沉淀 Ksp AgCl 1 78 10 10 Ksp Ag 2CrO4 1 00 10 12 i 样品中氯离子的摩尔浓度是多少 ii 水中是否含有足够的氯离子以供海坜正常生长 圈出是或不是 是 不是 写出计算过程 1992 年第 24 届国际化学奥林匹克竞赛理论试题 美国华盛顿 7 月 11 22 日 第 3 页 共 10 页 iii 写出滴定剂和样品反应的配平的化学方程式 iv 写出滴定终点颜色变化的配平的离子反应式 圈出反应式中砖红色化合物的分子式 v 在滴定终点 铬酸根离子的浓度是 0 020mol L 1 计算当砖红色沉淀出现时溶液中 Cl 的浓度 vi 为使滴定更有效 被滴定溶液必须呈中性或弱碱性 写出用来描述在酸性介质中所发生的竞争反 应的配平的方程式 这个反应影响滴定终点的观察 b 如果开始滴定时样品溶液是酸性的 通常向被滴溶液加入缓冲溶液以控制 pH 假定海湾水的 pH 为 5 10 则由于酸性太强而不能进行准确分析 i 从列出的体系中选择一个缓冲剂 此缓冲剂能使你建立并维持 pH 7 20 的水溶液介质 圈出你所 选择的缓冲溶液的号码 假定缓冲剂不与样品和滴定剂发生反应 缓冲体系 弱酸的 K 25 1 0 1mol L 1乳酸 0 1mol L 1乳酸钠 1 4 10 4 2 0 1mol L 1醋酸 0 1mol L 1醋酸钠 1 8 10 5 3 0 1mol L 1NaH 2PO4 0 1mol L 1Na 2HPO4 6 2 10 8 4 0 1mol L 1NH 4NO3 0 1mol L 1氨水 5 6 10 10 写出使你做出这种选择的计算过程 ii 用从 i 中选出的缓冲体系 计算溶解在蒸馏水中以配制 500mlpH 7 20 的缓冲溶液所需的弱酸 及其共轭碱的质量 c 在另一个 50 00ml 海湾水样中的氯离子的浓度由佛尔哈德 Volhard 法测定 将过量的 AgNO3加到 样品中 过量的 Ag 用标准 KSCN 溶液滴定 生成 AgSCN 沉淀 若加入 50 00ml 浓度为 0 00129mol L 1AgNO3 溶液到水样后引起的过量 Ag 需要 27 46ml 1 41 10 3mol L 1的 KSCN 溶液来滴定 计算海湾水中氯离子 的浓度 d 在具有更高氯离子浓度的天然水中 Cl 可以通过沉淀为 AgCl 的重量法来测定 此方法的缺点之一 是 AgCl 易发生分解反应 AgCl s hvAg s 1 2Cl2 g 如果这一光解反应在过量 Ag 存在下发生 则伴随另一反应 3Cl2 g 2H2O 1 5Ag aq 5AgCl s ClO 3 aq 6H aq 如果 3 000 克 AgCl 样品 这些样品同含有 Ag 的溶液接触 中有 0 0100 克发生了光解反应 如上述方程 式所示 请计算由这些反应所产生的固体的最后的总质量 8 下面三个图分别是水 氮和锰的 Pourbaix 图 E v pH 图 水的 pE pH 图上的边界也同样以虚线 画在其他两个图上 a 写出富氧并具有正常 pH 值 pH 6 0 的湖中占优势的含氮物质的化学式 b 写出在高度缺氧 富含有机物质 并受碱类 pH 12 0 污染的湖中占优势的含锰物质的化学式 c 人们经常发现从水井中提出的微酸性的清水会在抽水马桶上沉淀出一层黑色的含锰固体 i 写出此黑色固体的化学式 ii 写出地下的井水中含锰物种的化学式 d 根据 Pourbaix 图 有些化学型体的锰可氧化 NH3 aq 或 NH4 aq 生成 N 2 aq 在下面所列出的锰的 诸化学形态中 圈出所有能发生此种反应的化学型体 Mn Mn OH 2 Mn 2 Mn 3O4 Mn2O3 MnO2 MnO4 2 MnO 4 2 e 高锰酸铵 NH4MnO4 是一个众所周知的盐 而锰酸铵 NH4 2MnO4则少有人知 i 写出并配平 NH4MnO4分解成 MnO2和 N2的化学反应方程式 ii 写出并配平 NH4 2MnO4分解成 Mn 和 N2的化学反应方程式 f Pourbaix图同样可定性地应用于固体 若用研杵和研钵研磨以下物质 是否危险 只答出是或否 i 硝酸钾和金属锰 ii 硝酸钾和二氧化锰 g MnO4 还原到 MnO 2的标准还原势 E 是 1 692V 用能斯特 Nernst 方程 计算在 25 pH 4 0 的 条件下 0 00100mol L 1的 MnO 4 的还原势 1992 年第 24 届国际化学奥林匹克竞赛理论试题 美国华盛顿 7 月 11 22 日 第 4 页 共 10 页 9 信息素是由昆虫和一些动物分泌出的 起传递信息作用的化学物质或化学物质的混和物 它们能 引起同种类其他昆虫或动物的响应 在下述题目中 列出了一系列信息素以及确定它们结构的化学反应 在每种情况下 写出含碳产物的结构 一种或几种 在 e 部分 对相应的产物 请写出几何 顺 反 异构 体 可忽略其他立体异构体 在出现两个箭头的地方 只写出最终产物 醋酸异戊酯 2 庚酮 1992 年第 24 届国际化学奥林匹克竞赛理论试题 美国华盛顿 7 月 11 22 日 第 5 页 共 10 页 19921992 年第年第 2424 届届 IChOIChO 试题答案试题答案 1 a 鲸在头 5 年中体重增加到 75 365 5 1 37 10 5 kg 吃掉的小鱼量为 1 37 10 5 10 0 1 37 106 kg 需硅藻碳水化合物为 1 37 10 6 10 0 1 37 107 kg 6CO2 6H2O 太阳能 C6H12O6 6O2 需 CO2为 180 1037 1 7 6 4 56 10 8 mol 在 STPE 标态 Vco2 22 4 4 56 108 1 02 10 11 L b i 在 24 和 1 0atm 下 0 23mlCO2的摩尔数 104 9 24273 082 0 1032 00 1 6 3 mol RT PV n 要溶解 4 56 10 8molCO 2需海水为 1085 4 104 9 1056 4 13 6 8 L 00354 0 100 1037 1 1010001085 4 18 313 ii c 9 1 10 4 3 2 73 103 kg 1095 1 01 14 101073 2 5 33 mol 1 95 10 5 14 01 1 008 4 3 5 103 kg d 1000 头死鲸所含 C 的物质的量 1036 1 1001 12 18101 91000 9 3 4 molnc 32 2 CaSiOCOc nnn WCaSiO3 MCaSiO3 nCaSiO3 116 2 1 36 10 9 1 2 7 9 1010 g 2 b 2FeS2 s 2H2O 1 7O2 g 2Fe 2 aq 4SO 4 2 aq 4H aq c 4Fe 2 O 2 6H2O4FeO OH 8H d 使 1 0L 纯水 pH 降至 3 0 需 H 1 0 10 3mol 从 FeS2氧化的总反应式 FeS2 15 4O2 5 2H2O FeO OH 2SO4 2 4H 可看出 生成 1molH 需 0 25molFeS 2 e Fe 的流速为 min 167 00 2000835 0 1 mol dt dv C dt dn Fe Fe 两年中流入池塘的 Fe 的总量 1076 160243652167 0 5 molt dt dn n Fe Fe 沉淀出的 Fe2O3的质量 1992 年第 24 届国际化学奥林匹克竞赛理论试题 美国华盛顿 7 月 11 22 日 第 6 页 共 10 页 WFe2O3 1 2MFe2O3 nFe 75 1 2 159 7 1 76 10 5 75 1 1 107 g 3 O OCH2 OC O a B O CHCH2OHC CH CHCH2OC 可能为 Z 也可能为 E OH CHCHCH2Br OH CHCHCH2 OH OCH3 D E OH CHCHCH2OH CHCHCH2OHF OCH3 松柏醇 OCH3 OCH3 CH2OH BrBr HH Ar CH2OH Br Br H H Ar Ar OH OCH3 2S 3S 2R 3R 4 CH3CCHCH2CH2CCHCH2O CH3CH3 a 可能为 Z 也可能为 E CH3 2CCHCH2CH2 CCHCH2OH BrBr BrBr CH3 b 许多立体异构体的混合物 1992 年第 24 届国际化学奥林匹克竞赛理论试题 美国华盛顿 7 月 11 22 日 第 7 页 共 10 页 CH3 2CCHCH2CH2CCHCH2Br CH3 CH3 2CCHCH2CH2C CH3 Br CHCH2 c 与 CH3 2CCHCH2CH2CHCH2OH CH3 CH3 2CCHCH2CH2C CH3 CHCH2 C CH3 2C CHCH2CH2C CHCH2 OH CH3 CH3 2C CHCH2CH2C CHCH2 CH3 Br CH3 2C CHCH2CH2C CHCH2Br CH3 CH3 2CCHCH2CH2CCH CH CH3 Br CH3 2CCHCH2CH2CCH CH CH3 Br d H H2O 5 c N2O4 g 2NO2 g 2 422 gONGgNOGG mfmfmr 51 84 2 98 28 5 40 kJ mol 1 设反应中 N2O4分解的分数为 x 则 N2O4 2NO2 1 x 2x 113 0 298314 8 1040 5 exp 1 2 32 298 e RT G x x K mr x 0 155 即分解 15 5 d 若分解率加倍 则 Kp 0 545 由于熵和焓都不随温度变化则 298 1040 51003 58 33 mrS 176 6J mol 1 K 1 rGm rHm T rSm RTlmKp 平衡时 rGm 0 545 0ln314 86 176 1003 58 3 Pmr mr RlmKS H T 319 K e 在恒容条件下 不考虑逆反应时有 kt C C 0 ln 102 4 80 0 1 ln 103 5 1 ln 1 6 4 0 s C C k t 1992 年第 24 届国际化学奥林匹克竞赛理论试题 美国华盛顿 7 月 11 22 日 第 8 页 共 10 页 f 平衡时 k 正 NO2 2 K 逆 N2O4 108 1 103 5 108 9 12 4 6 2 2 42 molL k k NO ON KC 逆 正 6 a rGm fGm H aq fGm HCO 3 aq fGm CO2 aq fGm H2O 1 0 0 587 1 386 2 237 2 36 3 kJ mol 1 65 14 298314 8 103 36 ln 3 RT G K mr K 4 34 10 7 b CO2 Kh pco2 0 0343 4 40 10 4 1 51 10 5 mol L 1 c H HCO 3 2 CO 2 3 OH HCO 3的解离很弱 故可将 CO 2 3 略去 则 2 H K HC COK H W W KCOKH 2 1457 100 11051 11034 4 2 55 10 6 mol L 1 pH 5 59 d rHm fHm H aq fHm HCO 3 aq fHm CO2 aq fHm H2O 1 0 0 691 2 412 9 285 8 7 5 kJ mol 1 e 降低 7 a i Cl AgAg Cl V VC C 000530 0 00 50 16 1600164 0 1 Lmol ii 是 海坜生长所需最低 Cl 浓度 Cl CLmolC 0002 0 45 35 108 1 3 0 iii Ag aq Cl aq AgCl s iv 2Ag aq CrO2 4 aq Ag2CrO4 s 2 1 2 4 42 CrO CrOAgK Agv SP 2 1 12 020 0 1000 1 7 1 10 6 mol L 1 6 10 101 7 1078 1 Ag AgClK Cl SP 2 5 10 5 mol L 1 vi 2CrO 2 4 2H Cr2O 2 7 H2O b i 0 1mol L 1NaH 2PO4 0 1mol L 1Na 2HPO4 1992 年第 24 届国际化学奥林匹克竞赛理论试题 美国华盛顿 7 月 11 22 日 第 9 页 共 10 页 HA AH Ka A HA KH a 当 HA A 时 缓冲容量最大 所以 K a和要求的 H 越接近 缓冲效果越好 3 号的 pKa 7 208 与 pH 7 200 最接近 ii WNaH2PO4 MNaH2PO4CV 120 0 1 0 500 6 0 g WNaH2PO4 MNaH2PO4CV 142 0