【化学竞赛试题】2001-2010年十年化学赛题重组卷4（原子和分子结构）

2001-2010年十年化学赛题重组卷4原子和分子结构1. 原子结构。核外电子运动状态: 用s、p、d等来表示基态构型（包括中性原子、正离子和负离子）核外电子排布。电离能、电子亲合能、电负性。 2.元素周期律与元素周期系。周期。118族。主族与副族。过渡元素。主、副族同族元素从上到下性质变化一般规律；同周期元素从左到右性质变化一般规律。原子半径和离子半径。s、p、d、ds、f-区元素的基本化学性质和原子的电子构型。元素在周期表中的位置与核外电子结构（电子层数、价电子层与价电子数）的关系。最高氧化态与族序数的关系。对角线规则。金属性、非金属性与周期表位置的关系。金属与非金属在周期表中的位置。半金属（类金属）。主、副族重要而常见元素的名称、符号及在周期表中的位置、常见氧化态及主要形态。铂系元素的概念。 3.分子结构。路易斯结构式（电子式）。价层电子对互斥模型对简单分子（包括离子）几何构型的预言。杂化轨道理论对简单分子（包括离子）几何构型的解释。共价键。配价键（配位键、配键）。键长、键角、键能。 键和 键。离域 键。共轭（离域）的一般概念。等电子体的一般概念。键的极性和分子的极性。相似相溶规律。 【决赛要求】1.原子结构。四个量子数的物理意义及取值。氢原子和类氢原子单电子原子轨道能量的计算。S、p、d原子轨道图像。 2.分子结构。分子轨道基本概念。定域键键级。分子轨道理论对氧分子、氮分子、一氧化碳分子、一氧化氮分子的结构和性质的理解。一维箱中粒子模型对共轭体系电子吸收光谱的解释。超分子的基本概念。Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo1.008Zr NbMo Tc RuRhPdAgCdInSnSbTe I Hf TaW Re OsIrPt AuHgTl PbBiPoAtAc-LrHLiBeBCNOFNaMgAlSiPClSKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrRbCsFrSrBaRaYLaLu-6.9419.01222.9924.3139.1040.0885.4787.62132.9137.322322644.9647.8850.9452.0054.9455.8558.9363.5558.6965.3910.8126.9869.7212.0128.0972.61114.8204.4118.7207.2112.4200.6107.9197.0106.4195.1102.9192.2101.1190.298.91186.295.94183.992.91180.991.22178.588.9114.0116.0019.0030.9774.92121.8209.032.0778.96127.6210210210 126.979.9035.454.00320.1839.9583.80131.3222HeNeArKrXeRn元素周期表RfDbSgBhHsMtl第1题（3分）在正确选项上圈圈。1-1 下列化学键中碳的正电性最强的是ACF BC一O CCSi DCCl1-2 电子构型为Xe4f145d76s2的元素是A稀有气体 B过渡元素 C主族元素 D稀土元素1-3 下列离子中最外层电子数为8的是AGa3 BTi4 CCu DLi第2题(8分) 铂系金属是最重要的工业催化剂。但其储藏已几近枯竭，上小行星去开采还纯属科学幻想。研究证实，有一类共价化合物可代替铂系金属催化剂。它们是坚硬的固体，熔点极高，高温下不分解，被称为“千禧催化剂”（millennium catalysts）。下面3种方法都可以合成它们： 在高温下将烃类气体通过钨或钼的氧化物的表面。 高温分解钨或钼的有机金属化合物（即：钨或钼与烃或烃的卤代物形成的配合物）。 在高度分散的碳表面上通过高温气态钨或钼的氧化物。2-1 合成的化合物的中文名称是 和 。2-2 为解释这类化合物为什么能代替铂系金属，提出了一种电子理论，认为这些化合物是金属原子与非金属原子结合的原子晶体，金属原子周围的价电子数等于同周期的铂原子或钌原子的价电子数。这类化合物的化学式（即最简式或实验式）是 和 。第3题（4分）2004年2月2日，俄国杜布纳实验室宣布用核反应得到了两种新元素X和Y。X是用高能48Ca撞击Am靶得到的。经过100微秒，X发生-衰变，得到Y。然后Y连续发生4次-衰变，转变为质量数为268的第105号元素Db的同位素。以X和Y的原子序数为新元素的代号（左上角标注该核素的质量数），写出上述合成新元素X和Y的核反应方程式。第4题（11分） 离子液体是常温下呈液态的离子化合物，已知品种几十种，是一类“绿色溶剂”。据2002年4月的一篇报道，最近有人进行了用离子液体溶解木浆纤维素的实验，结果如下表所示：向溶解了纤维素的离子液体添加约1.0%（质量）的水，纤维素会从离子液体中析出而再生；再生纤维素跟原料纤维素的聚合度相近；纤维素分子是葡萄糖（C6H12O6）的缩合高分子，可粗略地表示如下图，它们以平行成束的高级结构形成纤维；葡萄糖缩合不改变葡萄糖环的结构；纤维素溶于离子溶液又从离子液体中析出，基本结构不变。n4001000 表木浆纤维在离子液体中的溶解性离子液体溶解条件溶解度（质量%）C4minCl加热到10010%C4minCl微波加热25%，清澈透明C4minBr微波加热57%C4minSCN微波加热57%C4minBF4微波加热不溶解C4minPF4微波加热不溶解C6minCl微波加热5%C8minCl微波加热微溶表中C4minCl是1（正）丁基3甲基咪唑正一价离子的代号，“咪唑”的结构如右上图所示。回答如下问题：4-1 在下面的方框中画出以C4min为代号的离子的结构式。4-2 符号C6min和C8min里的C6和C8代表什么？答： 和 。4-3 根据上表所示在相同条件下纤维素溶于离子液体的差异可见，纤维素溶于离子液体的主要原因是纤维素分子与离子液体中的 之间形成了 键；纤维素在C4minCl、C4minBr、C4minBF4中的溶解性下降 下降来解释，而纤维素在C4minCl、C6minCl和C8minCl中溶解度下降是由于 的摩尔分数 。4-4 在离子液体中加入水会使纤维素在离子液体里的溶解度下降，试解释之。4-5 假设在C4minCl里溶解了25%的聚合度n500的纤维素，试估算，向该体系添加1.0%（质量）的水，占整个体系的摩尔分数多少？假设添水后纤维素全部析出，析出的纤维素的摩尔分数多大？ 第5题(6分）据统计，40%的飞机失事时机舱内壁和座椅的塑料会着火冒烟，导致舱内人员窒息致死。为此，寻找装修机舱的阻燃聚合物是化学研究的热点之一。最近，有人合成了一种叫PHA的聚酰胺类高分子，即主链内有“酰胺键”（CONH）。温度达180200时，PHA就会释放水变成PBO（结构式如右图所示），后者着火点高达600，使舱内人员逃离机舱的时间比通常增大10倍。该发明创造的巧妙之处还在于，PHA是热塑性的（加热后可任意成型），而PBO却十分坚硬，是热固性的（加热不能改变形状）。5-1 写出PHA的结构式。5-2 根据高分子结构来解释，为什么PHA有热塑性而PBO却是热固性的。第6题（12分）6-1 1摩尔高锰酸钾在240300加热释放出19.2g氧气，写出反应方程式。（已知K2MnO4 640分解，K3MnO4 800分解。）6-2 咖啡因对中枢神经有兴奋作用，其结构式如下。常温下，咖啡因在水中的溶解度为2g/100g H2O，加适量水杨酸钠C6H4(OH)(COONa)，由于形成氢键而增大咖啡因的溶解度。请在附图上添加水杨酸钠与咖啡因形成的氢键。6-3 阿司匹林结构式如右，难溶于水。若和适量柠檬酸三钠混合，即可增大溶解度。解释原因。6-4 氯仿在苯中的溶解度明显比1，1，1三氯乙烷的大，请给出一种可能的原因（含图示）。-第7题（10分）据世界卫生组织统计，全球约有8000万妇女使用避孕环。常用避孕环都是含金属铜的。据认为，金属铜的避孕机理之一是，铜与子宫分泌物中的盐酸以及子宫内的空气反应，生成两种产物，一种是白色难溶物S，另一种是酸A。酸A含未成对电子，是一种自由基，具有极高的活性，能杀死精子。7-1 写出铜环产生A的化学方程式。7-2 画出A分子的立体结构。7-3 给出难溶物S和酸A的化学名称。S: A：7-4 A是一种弱酸，pK4.8。问：在pH6.8时，A主要以什么形态存在？第8题（8分）在30以下，将过氧化氢加到硼酸和氢氧化钠的混合溶液中，析出一种无色晶体X。组成分析证实，该晶体的质量组成为Na 14.90，B 7.03，H 5.24。加热X，得无色晶体Y。Y含Na 23.0，是一种温和的氧化剂，常温下在干燥空气里稳定，但在潮湿热空气中分解放氧，广泛用作洗涤剂、牙膏、织物漂白剂和美发产品，也用于有机合成。结构分析证实X和Y的晶体中有同一种阴离子Z2，该离子中硼原子的化学环境相同，而氧原子却有两种成健方式。8-1 写出X、Y的最简式，给出推理过程。X的最简式： Y的最简式： 推理过程： 8-2 用最恰当的视角画出Z2离子的立体结构（原子用元素符号表示，共价键用短线表示）。第9题（10分）等摩尔的丙酮和过氧化氢混合，在盐酸催化下生成白色粉末A和水，反应进行完全，产物分子总数是反应物分子总数的2/3。A在撞击、摩擦和加热时发生爆炸，被称为熵炸弹。9-1 A分子中氧的化学环境相同。画出A的立体结构（H原子不必画出）。9-2 A发生爆炸生成丙酮等物质，并不燃烧起火。写出爆炸的反应方程式。9-3 为什么A被称为“熵炸弹”？9-4 合成A是十分危险的，不慎会在合成时瞬即发生爆炸，例如，温度稍高，反应将生成A的同系物B，B的相对分子质量为A的2/3。画出B的结构；B比A更容易爆炸，应如何从结构上理解？（注：在H2O2分子中的HOO夹角约95，面夹角约112第10题（12分） 尿素受热生成的主要产物与NaOH反应，得到化合物A（三钠盐）。A与氯气反应，得到化合物B，分子式C3N3O3Cl3。B是一种大规模生产的化工产品，全球年产达40万吨以上，我国年生产能力达5万吨以上。B在水中能持续不断地产生次氯酸和化合物C，因此广泛用于游泳池消毒等。10-1 画出化合物A的阴离子的结构式。10-2 画出化合物B的结构式并写出它与水反应的化学方程式。10-3 化合物C有一个互变异构体，给出C及其互变异构体的结构式。10-4 写出上述尿素受热发生反应的配平方程式。第11题 (16分) 1-1 化合物A是一种重要化工产品，用于生产染料、光电材料和治疗疣的药物等。A由第一、二周期元素组成，白色晶体，摩尔质量114.06 g/mol，熔点293oC，酸常数pKa1 = 1.5，pKa2 = 3.4；酸根离子A2-中同种化学键是等长的，存在一根四重旋转轴。(1)画出A的结构简式。(2)为什么A2-离子中同种化学键是等长的？ (3)A2-离子有几个镜面？ 11-2 顺反丁烯二酸的四个酸常数为1.17 x 10-2，9.3 x 10-4，2.9 x 10-5和2.60 x 10-7。指出这些常数分别是哪个酸的几级酸常数，并从结构与性质的角度简述你做出判断的理由。11-3 氨基磺酸是一种重要的无机酸，用途广泛，全球年产量逾40万吨，分子量为97.09。晶体结构测定证实分子中有三种化学键，键长分别为102、144和176 pm。氨基磺酸易溶于水，在水中的酸常数Ka = 1.01 x 101，其酸根离子中也有三种键长，分别为100、146和167 pm。(1) 计算0.10 mol L-1 氨基磺酸水溶液的pH值；(2) 从结构与性质的关系解释为什么氨基磺酸是强酸？ (3) 氨基磺酸可用作游泳池消毒剂氯水的稳定剂，这是因为氨基磺酸与Cl2的反应产物一氯代物能缓慢释放次氯酸。写出形成一氯代物以及一氯代物与水反应的方程式。 5