【化学竞赛试题】2001-2010年十年化学赛题重组卷4答案（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l 竞赛时间3小时。迟到超过30分钟者不能进考场。开始考试后1小时内不得离场。时间到，把试卷（背面前上）放在桌面上，立即起立撤离考场。l 试卷装订成册，不得拆散。所有解答必须写在站定的方框内，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。l 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。l 允许使用非编程计算器以及直尺等文具。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RfDbSgBhHsMt2003年第3题（5分）在正确选项上圈圈。1下列化学键中碳的正电性最强的是ACF BC一O CCSi DCCl2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3下列离子中最外层电子数为8的是AGa3 BTi4 CCu DLi2000年第14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。1合成的化合物的中文名称是碳化钼和碳化钨。（共4分，各2分）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Mo2C和WC。（4分，各2分）说明：每个钨原子的d轨道上平均多了4个电子，相当于Pt的电子结构，每个钼原子的d轨道上多了2个电子，相当于Ru原子的电子构型。2004年第1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。Ca2881153n（2分，不写3n不得分。答291115不得分。）2881152841134He（2分，质量数错误不得分。4He也可用符号。（答下式不计分：28411344He268105或Db） 2002年第13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：1在下面的方框中画出以C4min为代号的离子的结构式。（2分）注：不加括号而将“”加在甲基氮上也正确。丁基用锯齿状无氢简式表示得分相同。2符号C6min和C8min里的C6和C8代表什么？答：己基和辛基。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阴离子（或负离子）之间形成了氢键；纤维素在C4minCl、C4minBr、C4minBF4中的溶解性下降可用 Cl、Br、BF4结合氢的能力下降来解释，而纤维素在C4minCl、C6minCl和C8minCl中溶解度下降是由于Cl的摩尔分数降低 。（每空1分，小计5分）注：第3空或答半径增大，或与氢形成氢键的能力下降，或作为质子碱的碱性减小，等等. 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。水与离子液体中的阴离子形成氢键的能力更强。（1分）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？溶解于离子液体中的纤维素的摩尔质量为：61210516)10001.62105（g/mol）离子液体的摩尔质量为：8121514235.596152835.5175（g/mol）水的摩尔分数为：1.0/18/(1.0/1875/17525/1.62105)0.12析出的纤维素的摩尔分数为：(25/162000)/(1.0/1875/17525/1.62105)3.2104（2分）2000年第10题(5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）。1写出PHA的结构式。（3分） 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。PHA高分子键的共轭较差，加热容易发生键的旋转，是柔性骨架，所以PHA具有热 塑性，而PBO高分子键的共轭程度高，加热不容易发生键的旋转，所以PBO是热固性 的。（2分）注：只要能对高分子骨架的键的性质能作正确的描述，均可得分，上述表述只是参考答案。2003年第8题（12分）11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。）5KMnO4K2MnO4K3MnO43MnO23O2（4分）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。（3分）（不要求氢键的键角和方向，但要求画在有孤对电子的氮原子上。）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。阿司匹林中的羧酸和柠檬酸根反应形成阿司匹林的钠盐。（2分）（若写方程式表达得分相同，但必须配平。）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）。（2分） CHCl3的氢原子与苯环的共軛电子形成氢键。（1分）（若只写“氢键”给1分。）2005年第10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。1写出铜环产生A的化学方程式。CuHClO2CuClHO2（3分）2画出A分子的立体结构。（3分，画OO单键不扣分，但分子不画成角型不得分。）3给出难溶物S和酸A的化学名称。S:氯化亚铜 A：超氧酸 （2分）4A是一种弱酸，pK4.8。问：在pH6.8时，A主要以什么形态存在？几乎完全电离为超氧离子（2分）2003年第5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。1写出X、Y的最简式，给出推理过程。X的最简式：NaBH8O7 Y的最简式：NaBH2O4（各1分；写成水合物也可）推理过程： Na B H O14.90/23.00.648 7.03/10.80.651 5.24/1.0085.20 72.83/16.04.55 1 1 8 7X变成Y是脱水过程。X为NaBH2O43H2O，则Y中Na的质量百分数为23/99.80.23（若X是NaBO34H2O，则Y中Na的质量分数为23/81.80.28不符合题意。）（1分）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）。（5分；不写“2”不扣分。）（参考图形：）2005年第3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。1A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）。 （4分，分子中COOC不在一个平面上）2A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。C9H18O63CH3COCH3O3（2分，或3/2O2）3为什么A被称为“熵炸弹”？爆炸反应不是燃烧反应，能量改变不大，是由于生成大量气态小分子导致的熵增加效应，因而称为“熵炸弹”。（1分）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。） （）B是双聚分子，分子的六元环不能满足过氧团的正常键角（COOC面间角和COO键角）的需要，导致分子张力太大而不稳定。（3分）2007年第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。 10-1（2 分）画成其他结构均不得分。10-2（5 分）画成其他结构均不得分。 B（2 分）化合物 B 与水反应的化学方程式:或C3N3O3Cl3 + 3 H2O = C3N3O3H3 + 3 HClO（3 分）方程式未配平得 1.5 分；产物错不得分。10-3（2 分）（2 分，每个结构式 1 分）10-4（3 分）或 3 CO(NH2)2 C3N3O3H3 + 3 NH3方程式未配平只得 1.5 分；产物错不得分。2009年第8题 (16分) 8-1 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。其他答案不得分。 (2分)(2)为什么A2-离子中同种化学键是等长的？ A2-环内的电子数为2，符合4n + 2规则，具有芳香性，电子是离域的，可记为，因而同种化学键是等长的。 (2分)(3)A2-离子有几个镜面？ 5 (2分)8-2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。共4个酸常数，每个0.5分 (2分)顺式丁烯二酸发生一级电离后形成具有对称氢键的环状结构，十分稳定，既使一级电离更容易，又使二级电离更困难了，因而其K1最大，K2最小。 (2分)8-3 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；c/K = 0.1/10-1 500,K = H+2/(c-H+),H+ = 0.062 mol L-1 pH = 1.21 (2分)(2) 从结构与性质的关系解释为什么氨基磺酸是强酸？N-S键中的电子由于磺酸根强大的吸电子效应使H-N键极性大大增大，而且去质子后N-S缩短，导致H-N很容易电离出氢离子。(2分) (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。 H3NSO3 + Cl2 = H2ClNSO3+HCl H2ClNSO3 + H2O = HClO + H3NSO3 每个方程式1分 (2分)5