2006年全国化学竞赛初赛模拟试卷（25）.pdf

2006 年全国化学竞赛初赛模拟试卷（年全国化学竞赛初赛模拟试卷（25）（时间：3 小时 满分：100 分）题 号123456789101112满 分4576861277131114H1.008相对原子质量He4.003Li6.941Be9.012B10.81C12.01N14.01O16.00F19.00Ne20.18Na22.99Mg24.31Al26.98Si28.09P30.97S32.07Cl35.45Ar39.95K39.10Ca40.08Sc44.96Ti47.88V50.94Cr52.00Mn54.94Fe55.85Co58.93Ni58.69Cu63.55Zn65.39Ga69.72Ge72.61As74.92Se78.96Br79.90Kr83.80Rb85.47Sr87.62Y88.91Zr91.22Nb92.91Mo95.94Tc98Ru101.1Rh102.9Pd106.4Ag107.9Cd112.4In114.8Sn118.7Sb121.8Te127.6I126.9Xe131.3Cs132.9Ba137.3LaLuHf178.5Ta180.9W183.8Re186.2Os190.2Ir192.2Pt195.1Au197.0Hg200.6Tl204.4Pb207.2Bi209.0Po210At210Rn222Fr223Ra226AcLrRfDbSgBhHsMtDs第第一题（题（4 分）分）1经过一系列的衰变和衰变，238U的原子衰变成稳定的206Pb。在238U的一个原子变成稳定的核的过程中发生了多少次衰变和衰变？2在中子诱发的热裂变过程中，235U和中子反应，开裂成碎片，通常生成23个新的中子。我们考虑如下单个的裂变：235Un137TeX2n。试确定碎片X。第第一题（题（5 分）分）利用质谱仪來分析分子结构已经成为现代化学重要的技术，其原理为利用电子撞击分子（M）使它产生阳离子团（M）或分子裂解产生的阳离子团在磁场飞行的差异，而探测各种离子。下图为氯甲烷的质谱分析图。图谱的横坐标为质量与电荷比（m/z） ，纵坐标为强度，代表所产生粒子数的多少。氯甲烷的质谱分析中，m/z15是氯甲烷经过裂解产生甲基阳离子CH3的讯号，而m/z50、52则是氯甲烷阳离子CH3Cl的讯号。利用图谱资料，说明自然界中氯的同位素有什么？其含量比为多少？第第一题（题（7 分）分）实验室有一瓶苯酚与环己醇的混合物重97克。某学生取0.97克的样品放入50mL的水中，加入数滴的酚酞，用1.0M的NaOH溶液滴定。经加入5.0mL的1.0M NaOH溶液后，使溶液变成桃红色。于是学生取48.5克的混合物，加入3MNaOH溶液50mL，然后加入乙醚70mL，经过摇晃萃取后，溶液分成两层，分离了有机层之后再加入乙醚 70mL至水层溶液萃取一次，分离后将两次萃取的有机层合并，加热将溶剂蒸发，得到的残留物中却发现还有 8.5克的酚。酚的pKa9.951请问此瓶药剂中含有环己醇几克？2此分离的过程，是利用什么原理？即学生为什么要加 NaOH溶液到混合物中再用乙醚萃取？3这个分离效果非常不好，其主要原因是什么？第 1 页 共 12 页第第一题（题（6 分）分）下图是两个高温超导物质的晶胞： A B1确定物质A的化学式。2确定物质B中Mg及B原子的氧化数。3画出物质B中硼原子部分的电子式。第第一题（题（8 分）分）有机羧酸和胺经缩合反应（Condensation）会得到酰胺产物。例如甲酸和二甲基胺缩合会形成N，N二甲基甲酰胺（DMF，N，Ndimethylformamide）。它的共振结构如右所示。1预测N，N二甲基甲酰胺（化合物A），N甲基乙酰胺（CH3CONHCH3，化合物B），和丙酰胺（CH3CH2CONH2，化合物C）的熔点顺序，依高至低顺序排列：2胺基乙酸（H2NCH2COOH)是氨基酸，三个胺基乙酸经由酰胺的连接形成三肽GlyGlyGly，同时脱去两分子水。画出这一个三肽的结构。3当氨基酸含有取代基时,则会产生光学异构物。例如，Lalanine和Dalanine是二个对映体。当氨基乙酸，Lalanine和Dalanine三种氨基酸混在一起作为起始物时，经缩合后，总共会有多少种的直线型三肽产生？4在问题3所合成出来的三肽，其中多少个具有光学活性？5预测酚（化合物D)，4-甲基酚(化合物E)和4-硝基酚(化合物F)和聚酰胺凝胶的结合力。把它们按结合力从高至低依序排列：第第一题（题（6 分）分）回答下列问题：1用Na2CO3和CoSO4反应制备CoCO3，经分析，产品中有Co3O4杂相存在。试解释原因。Ksp CoCO31.41013 KspCo（OH）31.61015第 2 页 共 12 页2K2Cr2O7饱和溶液中缓慢加入浓硫酸并加热到200时发现溶液变成蓝绿色，经检查反应过程中，溶液中并无还原剂存在。试解释原因。3AlF3不溶于HF(l)中，但当NaF加入HF(l)中，AlF3就可以溶解。再把BF3加入AlF3的NaFHF溶液中。AlF3又沉淀出来。试解释原因。第第一题（题（7 分）分）烯胺是由酮和二级胺在酸的催化下所合成的。1试给出以酸催化合成烯胺的反应机理。2此反应过程在酸的催化下和pH值呈现一钟型（bellshaped）的关系，在pH等于3至4的时候反应速率最大。请以合理的解释来解释此关系。3烯胺在水解后和例如甲基乙烯基酮的共轭体反应。这个反应的产物有一立体中心，参照上例写出特别的胺制造出立体特异产物的条件。第第一题（题（12 分）分）以前，KCN用来从矿石中将黄金（Au）萃取出来。黄金会溶解于氰根(CN)溶液中，在空气中形成Au(CN)2离子，Au(CN)2在水溶液中很稳定。4Au(s)8CN(aq)O2(g)2H2O4Au(CN)2(aq)4OH(aq)1画出Au(CN)2的结构图，此结构图可以表示出Au(CN)2的所有原子的空间位置。2需要多少克的KCN才能从矿石中萃取出20克的黄金？详细写出你的计算步骤。3黄金纳米粒子的合成和定性是目前一个很热门的研究课题。Brust-Schiffrin法是合成黄金纳米粒子（AuNP）的一个方法，这个方法可以很容易合成热稳定和在空气中稳定的黄金纳米粒子团（AuNPs）。这个方法可以减少黄金的多分散性，使其可聚集，将黄金纳米粒子的直径控制在1.5-5.2nm。简单叙述这个方法如下，将HAuCl4水溶液和溴化四正辛基铵的甲苯溶液混合。将上述之溶液与十二碳硫醇混合，再与过量的NaBH4反应。甲苯相的颜色变深，代表AuNPs已经形成。24小时后，用减压蒸馏的方式去除甲苯，再在抽气漏斗上用乙醇和己烷洗去多余的硫醇。这些AuNPs可以重复的被分离和溶解于一般的有机溶液中，而不会有不可逆的聚集或分解。这种方法是属于从上而下（topdown）或是从下而上（bottomup）法?从下面的答案中选取。(a）从上而下法（topdown approach），是将结构缩小为纳米的范围。(b）从下而上法（bottomup approach），是将个别的分子或原子聚集为纳米的范围。4溴化三甲基正辛基铵也可以用来做相之间的转换剂。它可以将AuCl4从水相转移到有机相。下面的那一个叙述是正确描述溴化三甲基正辛基铵作为有效的相转移剂的性质？(a）溴化三甲基正辛基铵分子的一端有正电性，另一端有负电性。(b）溴化三甲基正辛基铵分子的一端具有亲水性，另一端具有疏水性。(c）溴化三甲基正辛基铵分子的一端是酸性，另一端为碱性。5NaBH4在这个方法中起什么作用？6如果黄金纳米粒子的直径大小是3nm，在这个粒子中有多少个Au原子?（Au原子的半径为0.144nm)。从下列的答案中选择正确的答案并且写下你的计算过程。(a）102 （b）103 （c）104 （d）105计算过程：7在黄金纳米粒子的表面上的金原子占所有金原子的百分率为多少？从下列的答案中选择正确的答案并且写下你的详细计算过程。(a）2030% （b）4050% （c）6070% （d）8090%第 3 页 共 12 页计算过程：第第一题（题（7 分）分）血液中H2CO3HCO3缓冲对的功能之一是可以从细胞组织中迅速除去人体运动产生的乳酸HLac（Ka8.4104） 。已知H2CO3的电离常数：Ka14.2107Ka24.310111计算反应：HLacHCO3H2CO3Lac的平衡常数。K2若血液中c(H2CO3)0.0014mol/L，c(HCO3）0.027mol/L。按此计算该血液的pH。正常人体血液的pH是多少？该血液的pH正常吗？3若上述1L血液中产生0.003mol的HLac后，血液的pH如何变化？对人体健康有何影响？第第一题（题（13 分）分）氨的合成可用来解释化学如何促进人类生活，数亿年前，原始的生态系统已利用固氮作用将氮气形成氮化合物，但人类在一百年前才学习如何制备氨。氨是氮的来源用来制造氨基酸，也是肥料的成分，再者，氨基可以轻易地转变为具爆炸性的的硝基，如黄色炸药TNT。全世界氨的年产量约为一亿吨，仅次于硫酸，但其中自然界制造的氨远多过于工业上所合成的。氨可由氮气与氢气合成，却由于氮分子的化学键相当稳定，以至于没有适当的反应条件或催化剂极难合成氨。在20世纪初，哈柏法（HaberBosch method）以高温、高压合成氨，其合成方法至今仍被工业界采用，而Haber（1918）与Bosch（1931）也因此贡献获得诺贝尔化学奖。1试以热力学的观点，判断此反应是否自发，并计算下列方程式的熵的变化量：N2(g)3H2(g)2NH3(g)N2、H2和NH3的标准熵依序为191.6、130.7和192.5 J/(Kmol)，试问此体系的熵增加或减少？若是熵为减少，在何种情况下造成此反应为自发的反应？2由氢气和氧气反应生成水，考虑此反应是否为放热反应？请连结左列化合物与右列标准生成热（kJ/mol)。3反应速率也是另一个考虑的重点，N2(g)3H2(g)2NH3(g)的速率决定步骤为氮分子的原子化，假设此步骤的活化能即为键能（940kJ/mol） ，A因子为1013/秒，利用阿仑尼乌斯方程式计算80时，氮分子的原子化的速率常数为多少？同温下，加入催化剂使活化能降低为原来的一半，此时速率常数为何？（阿仑尼乌斯公式kAexp(Ea/RT)）4化学工业上催化剂的使用相当多，一工厂每天约使用100吨的催化剂，进而制造出超过1000公吨的氨。除了哈柏法中利用Fe当作催化剂之外，Ru也当作催化剂；而利用金属络合物连结元素氮与氢在溶液中合成氨的反应，也是匀相催化反应研究的课题。反应物与不互溶的金属催化剂在金属表面发生反应，故反应速率与金属表面积有关。计算有多少摩尔的氮分子吸附在1千克的铁催化剂上。 （假设此催化剂为1m3的立方体组成（均匀细致粉末)，而立方体之六个面均可供氮分子吸附，Fe的密度为7.86g/cm3，每个氮分子吸附的面积为0.16nm2。 ）5若一可溶、匀相的催化剂被合成并应用在连结氮分子，其分子量为500g/mol，则此催化剂1千克可吸附多少氮分子？假设每一个催化剂可连结一个氮分子。6工业法在高温、高压下合成氨，然而，氨的自然成因则来自于大气层的氮，约为0.8大气压。固氮酵素是含Fe或Ru的蛋白质，可用以合成氨，其牵涉的电子转移方程式为：N2(g)H2O(g） 46.11HF(g） 241.82NH3(g） 271.1第 4 页 共 12 页8H8e2NH3(g)H2(g)，反应过程中消耗掉16个ATP分子，而ATP分子除了分解成ADP和无机磷酸之外，并释放出30.5kJ/mol的能量。化学工业法合成1摩尔的氨至少需要400 kJ的能量，请计算利用固氮酵素合成1摩尔的氨所需要的能量。第第一一题（题（11 分）分）某有机物(液体)含有碳、氢、氧。经元素分析得碳64.8%、氢13.5%。为了要知道该有机物的化学式，某同学先做了下列的实验，以便计算出该有机物的大约分子量。取一个长颈烧瓶，瓶口塞有一个中间有一短玻璃管的橡胶瓶塞，如图中的烧瓶，称重得210.50克。在室温20将烧瓶装满清水并用原来的橡皮塞塞住瓶口后，置于92的恒温槽(水浴)一段相当长的时间，使瓶内的清水也保持92恒温。然后取出烧瓶置于桌上。冷却擦干瓶子，称重得745.10克。倒出烧瓶内的清水，烘干烧瓶，确认瓶内完全干燥后，将该有机物液体约6毫升倒入烧瓶内，塞住橡皮塞后，再将烧瓶置于92恒温槽，即见液体完全气化。取出烧瓶后置于室内桌面，即见随温度下降，瓶底出现液滴。又将瓶外擦干后称重，得211.81克。已知实验当天的大气压为730mmHg，清水在92的密度为0.972克/毫升。（本题的计算均要列出计算式子，尽量先约分，并了解计算的目的，可简化计算）1试求烧瓶在92时的容积（瓶内的体积）。 2试求该有机物的分子量（假定当液体完全气化后，烧瓶内的气体全是该有机物的蒸气)并写出该有机物的分子式与精确分子量。3写出该有机物的可能异构物（为了简化，除了官能团以外的 H 均可省略，例如异丙醇（2丙醇），应写成）。4要推出该有机物的结构式，还需要再做什么实验（限定在高中的一般化学实验室即可做的实验。使用贵重仪器不给分）？第第一一题（题（14 分）分）光蚀刻用于半导体组件制作时，以光罩的方式将组件线路形态，移转至组件表面的载质。通常在一标准光蚀刻制程，以光投射的方式直接穿过光罩，从而在覆盖有一薄层光阻剂的硅芯片上勾勒出特定组件线路。最早的光阻剂是以光化学的原理利用双芳香基叠氮化合物生成一活性中间体，组件线路的定型可经由叠氮化合物所产生的亚氮活性中间体进行交联反应来达成。N3N3Bis(aryl azide)hreactive intermediatecalled as nitrene+ 2 N2SO3- Na+Na -O3S1CH3N3是具叠氮官能基的最简单的化合物，画出其两种可能的路易斯（Lewis） 结构。2画出CH3N3经照光后产生的亚氮，活性中间体之路易斯结构。3画出122所述的亚氮活性中间体与乙烯气体反应，产生的两种可能的产物结构。4以Novolak所组成的光阻剂，可用有机酸来改变其溶解度；有机酸的来源是藉由重氮萘醌的光化学重排反应产生。事实上”Novolak”是现代微积电改革中最具代表性的正向光阻剂。第 5 页 共 12 页当重氮萘醌以光照射时，其经由光化学分解产生亚碳基中间体和氮气，然后经重排反应再与水反应后产生有机酸，反应如下。ON2SOOORh+ N2+ H2ODiazonahpthaquinonederivativeCO2HSOOORcarbeneintermediaterearrangedintermediate重氮乙醛（右图）为与重氮萘醌（diazonaphthoquinone）有相同活性官能基团的最简单的化合物。画出重氮乙醛的三种路易斯结构。5下图显示，当重氮乙醛经分解脱氮气时，产生的亚碳中间体，再经重排反应会得到重排中间体A，画出重排中间体A的路易斯结构（重排中间体A 必须满足路易斯八隅体定理，且A会与水反应产生醋酸） 。HCHN2Ocarbeneintermediate_ N2ACH3COOHH2O6更为先进的光阻剂发明于1982年，是以化学放大的方式为基础。最为普遍用于正向光阻的化学放大技术，是以酸催化的方式分解用酸保护的聚对氢氧基苯乙烯的高分子进行去保护反应。（可用酸去保护的保护基，可为第三丁氧羰基 t(CH3)3COC(O)） 。此种以tBOC 保护的碳酸酯高分子的热裂解温度通常都超过150。此以 tBOC保护的碳酸酯高分子，具有高活化能的热裂解反应，有两种可能的反应机构（如下图） 。画出此反应预期的中间体和产物（B、C、D、E） 。OOOCH2HCH3CH3OOOOOHO+O+BD+pericyclictrans. stateheterolytic cleavageE+B+H+OH+_CC7当有微量的酸存在时，此以tBOC保护的碳酸酯高分子的去保护裂解反应的温度可降到100以下，画出以下化学放大制程中预期的中间体F。括环过渡态括环过渡态化学键异裂化学键异裂H-C-CHN2O重氮乙醛OnOO第 6 页 共 12 页OOOnH+OHn+ H+OOHOnFDC+B第 7 页 共 12 页参考答案（参考答案（0625） 第第一题（题（4 分）分）18与6297Zr第第一题（题（6 分）分）35Cl 37Cl 501535 521537 10035第第一题（题（7 分）分）11.00.0050.005 mol 酚9.40.0050.47g 酚0.970.470.5g 环已醇0.5/100 0.97/97 0.5 mol1000.5 50g 环己醇2酚离子呈水溶性，用来分离环己醇。3添加NaOH不足。3M0.050.15 mol NaOH，但48.5g混合物中有0.25mol的酚。第第一题（题（6 分）分）1决定物质A的化学式。Y：1/881 Ba：1/482 Cu：3 O：(1/210)27YBa2Cu3O72决定物质B中Mg及B原子的氧化数。Mg：(1/22)(1/612)3MgB2氧化数：Mg：2，B：13第第一题（题（8 分）分）1CBA酰胺类的共振结构显示了氧原子上的部份负电荷，以及氮原子上的部分正电荷。一级和二级酰胺类带有很强的氢键，三级酰胺类则无氢键。2第 8 页 共 12 页3274265FDE第第一题（题（6 分）分）1Na2CO3（aq）与 CoSO4（aq）反应除生成 CoCO3外，还生成 Co(OH)2沉淀，Co(OH)2不稳定，已被空气氧化为 Co(OH)3，当 Co(OH)2 和 Co(OH)3混合共热时，就生成 Co3O4。2K2Cr2O7饱和溶液中与浓硫酸作用时，生成 CrO3，CrO3热稳定性差，加热到 200就分解为 Cr2O3并放出 O2，Cr2O3溶于浓硫酸形成 Cr3离子使溶液变成蓝绿色。3在 HF(l)中，F离子浓度很低，AlF3难以形成 AlF63，所以 AlF3不溶于 HF(l)中。当NaF 加入 HF(l)中，F离子浓度大大提高，AlF3与 F反应形成 AlF63而溶解。但加入 BF3后，BF3把 AlF63中的 F夺出来，使 AlF3又沉淀出来。第第一题（题（7 分）分）1NH +ONOHNOHH+ transfer+ H+NOH2N- H2OH- H+H2ON2一般来说，以酸催化烯胺的合成就如图所示。然而如果酸的量太多，胺会完全被质子化使得反应一开始的亲核加成无法发生。3一烯胺若由有立体化学的二级胺所合成，则其亦会具有立体化学。而且此 Michael 加成反应可只产生单一产物。+O+ H+NNH第第一题（题（12 分）分）1NCAuCN213.024克3（b）4（b）5还原剂6正确答案：（b）1037正确答案：(b)4050%第 9 页 共 12 页第第一题（题（7 分）分）12.010327.66，7.40.030.05，正常37.00，对人体健康无害第第一题（题（13 分）分）1S(2)(192.5)(191.63130.7)198.7J/(Kmol)此反应为一放热反应，产生足够的热而增加了周围环境的熵，因此抵销了系统熵的减少。2氢与一电负度较高的元素化合，可放出较多热。H2O(g)46.11HF(g)241.82NH3(g)271.13NH3(g)：46.11kJ/mol第 10 页 共 12 页k1Aexp(Ea/RT）1013exp940103/8.31451073)1.741033s1k2Aexp(Ea/RT）1013exp470103/8.31451073)1.321010s1k2/k17.610224立方体的质量7.86g/cm3(104cm)37.861015kg一千克中立方体数1kg/(7.861015kg）1.271014铁粉的表面积61012m21.271014763m2N2吸附的面积0.161018m2NFe 粉表面积/N2的吸附面积4.7710217.92103mol51kg/(0.5kg/mol)2mol1.210246830.5kJ/mole244kJE(固氮作用)E(化学工业)第第一一题题（11 分分）1空瓶重210.50g水重745.10210.50534.60g烧瓶的体(容)积VV/d534.60/0.972550mL2有机物的蒸气重211.81210.501.31g大约分子量PVgRT/MM（gRT)/(PV）（1.31x82.05x365)/(730 x550/760）74.26实验式C64.8%64.8/12.015.4H13.5%13.5/1.00813.5O21.9%21.9/161.35CHO4101C4H10O精确实验式量：（12.01x4)(1.008x10)16.0074.12精确分子量74.12分子式C4H10O3C4H10O醇： 醚： 4例如：沸点的测定第第一一题（题（14 分）分）1H3CNNNH3CNNN:+_+:_:第 11 页 共 12 页2H3CN:3H3CNCH2CH2:H3CNHHCCH2:4HONN+_:ONN:H+:HH_ONN:H+:H_:5CH2CO:6CH3H3CH3C+BCH2CCH3CH3CO2DEOOO_7OOHOn+F第 12 页 共 12 页