山东化学化工学会2021年高中学生化学竞赛夏令营试题及答案 (2).pdf
1山东化学化工学会 2021 年高中学生化学竞赛夏令营试题（2021 年年 7 月）月）题号题号12345678910总分总分满分满分1212812101177138100得分得分第第 1 题题 (12 分分) 作为一门极其重要的基础学科，化学与人类的衣食住行以及能源、信息、材料、国防、环境、医药等方面都有密切联系，在社会与经济发展以及人类生活质量的不断改善和提高中，都起着不可或缺的重要作用。实际上，我们的日常生活也与化学密切相关。1-1. 焖米饭时，温度太高米饭中的部分单键转化成黑色石墨中的键，并放出许多 H2O 分子。请根据公式STHG 来解释：焖米饭时，火太大，饭会烧焦的原因；答案：饭烧焦是一个0 H的熵增过程，温度低时：0 STHG，该过程不能自发进行；火大时，温度很高，使0 STHG，该过程能自发进行，从而把饭烧焦。（每个要点 1 分，共 2 分，说法不一定完全相同，但意思符合就得分）1-2. 焖米饭的锅会在表面粘上许多饭粒，请选择这些饭粒与锅表面的作用力为 C （填 A，B，C，D 之一）：化学键 范德华力 氢键 疏水亲脂相互作用 势阱力A B C D （1 分）1-3. 焖米饭粘在锅表面上的饭粒，用水泡一会就很容易清洗，请说明原因。答案：饭粒与锅表面有范德华力和氢键作用，因此粘得比较牢固；用水浸泡后，饭粒（其中的碳水化合物等）就与水形成了更强的氢键，从而使饭粒与锅表面作用力减弱，变得容易清洗。（每个要点 1 分，共 2 分，说法不一定完全相同，但意思符合就得分）1-4. 新陈代谢不仅需要酶，而且需要能量。碳水化合物是细胞主要能源物质之一，脂肪是生物体内储存能量的主要物质。ATP 是新陈代谢所需能量的直接来源，在有关酶的作用下，ATP 水解转化成 ADP 和磷酸盐：ATP + H2O = ADP + 磷酸盐2已知 298.2 K 上述反应的,molkJ 10.20,molkJ 58.30-1,-1, lmrlmrHG下面计算中忽略温度对焓变和熵变的影响。在碳水化合物中，1mol 的葡萄糖完全降解，消耗 2mol ATP，又将 38mol 的 ADP转化成 ATP，计算在标准状况下，310.2 K(人体温度)时，1mol 的葡萄糖在人体内完全降解过程中细胞内的储能Gr ；若 1mol 葡萄糖在空气中完全燃烧，放出能量Gr 为 2936.80 kJ，计算细胞呼吸的能量效率。答案：根据数据得到反应“ATP + H2O = ADP + 磷酸盐”的熵变为： 14.352 .298)30580(20100 TGHS （J mol-1 K-1） （2 分）310.2 K(人体温度)时，反应“ATP + H2O = ADP + 磷酸盐”的 lmrG,为：00.311000/14.352 .31010.20, lmrG（kJ mol-1） 因此反应“ADP + 磷酸盐= ATP + H2O”的的 lmrG,为：31.00 kJ mol-1。（1 分）1mol 的葡萄糖在人体内完全降解过程中细胞内的储能Gr 为：00.111600.31)238( Gr（kJ mol-1） （1 分）细胞呼吸的能量效率=%00.3880.293600.1116 。 （1 分）（共 5 分，每步数值正确就得分，不分步计算，最后结果正确得全部分。）1-5. 地球生物圈的新陈代谢速度很快。自 7 亿年前后有确凿化石记录以来，宏观生物累计总质量约为 71024吨，是地球质量的 1000 倍。可见，地球上有生命以来地球表面物质已经通过生物体无数次了。我们知道原子是化学变化的最小微粒，因此有人说：“任何一个原子在通过生物体的过程中一直保存下来，不会变成其他的原子”。你认为这种说法是否正确，请给出理由。答案：不正确； （1 分）某些放射性原子，如14C，会发生衰变，衰变后变成其他原子，因此上述说法不正确。 （1 分）（每个要点 1 分，共 2 分，说法不一定完全相同，但意思符合就得分）第第 2 题题 (12 分分) 含磷洗涤剂中的磷元素会引起水体的富营养化，使得水中的藻类大量繁殖，整个水体生态系统被破坏。因此无磷洗涤剂的推广使用成为必然。含磷洗涤剂是指含有洗涤助剂三聚磷酸钠 Na5P3O10的洗涤剂，无磷洗涤剂一般用4A 沸石、柠檬酸钠、硅酸钠等代替三聚磷酸钠。在洗涤剂中，三聚磷酸钠的作用是：作为螯合剂软化硬水，抑制钙、镁离子对表面活性剂洗涤作用的不良影响，又可以使污垢易于解离、分散而被去除。32-1. 画出三聚磷酸钠中阴离子结构示意图；答案：（共 2 分，没画出 P 的四面体结构扣 1 分，不标电荷扣 1 分。）2-2. 三聚磷酸钠可以由磷酸一氢钠 Na2HPO4和磷酸二氢钠 NaH2PO4一起加热制得。请写出制备三聚磷酸钠的化学反应方程式；答案：2Na2HPO4 + NaH2PO4 = Na5P3O10 + 2H2O（共 1 分，方程式不配平不得分。）2-3. 如图所示是 4A 沸石中硅（铝）氧四面体连接形成的晶体结构图（可近似看成一个晶胞，下面称为结构单元）。每个顶点代表一个硅氧四面体或一个铝氧四面体，每个四面体的结构如下面的球棍模型图，其中的小球为硅或铝原子，大球是氧原子。每个 4A 沸石的上述结构单元中结合 27 个水分子，硅和铝原子之比为 1：1，所带的负电荷全部由 Na+中和。请写出 4A 沸石的化学式。答案：每个结构单元中共有 24 个顶点，共含 Si 和 Al 原子 24 个，因此 Si原子 12 个，Al 原子 12 个。 （1 分）每个四面体分摊 O 原子 2 个，共有 48 个 O 原子。 （1 分） 4A 沸石的化学式为：Na12Al12Si12O4827H2O （1 分） （共 3 分，直接写出分子式结果正确的也得 3 分。化学式写成最简式：Na4Al4Si4O169H2O 同样得分） 2-4. 5A 沸石的化学式除部分 Na+被 Ca2+取代外，其他与 4A 沸石的化学式完全相同。为了测定 5A 沸石中 Na+和 Ca2+含量，称取试样 0.3851g，首先使其中的Na 和 Ca 全部定量转化为 NaCl 和 CaCl2，然后溶解于水，再用 AgNO3处理，使Cl-完全沉淀得到 AgCl 沉淀 0.3063g，根据计算写出该 5A 沸石的化学式。答案：设 5A 沸石的化学式为：Na12-2xCaxAl12Si12O4827H2O，则其相对OPOOOPOOOPOOO5-4分子质量为：)212(99.2208.4027.1915xx （1分） 设 0.3851g 试样含 5A 沸石 y mol，则得到方程： 3851. 0)212(99.2208.4027.1915 yxx （1 分）3063. 035.143)212(2 yxx （1 分） 解得：410781. 1 y （mol） （1 分） 895. 4 x （1 分）5A 沸石的化学式为：Na2.210Ca4.895Al12Si12O4827H2O （1 分）（共 6 分，每步数值正确就得分，不分步计算，最后结果正确得全部分。但没有计算过程，直接写出 5A 沸石的化学式不得分！）第第 3 题题 (8 分分) 化合物 X 用于制备一种无机导电聚合物，它的制备过程为：先将NH3气通入 S2Cl2的 CCl4或苯的热溶液，在生成 Y 的同时，生成单质硫和氨盐。将 Y 的热蒸气在 520570 K，1102 Pa 压力下通过 Ag 催化剂即分解成 X。Y 和X 中氮的含量都是 30.40%，相对分子质量 Y 是 X 的 2 倍。X 是平面环状结构，分子中有一个64 大 键，对称性与乙烯一样。3-1. 写出制备 Y 的化学方程式；答案： 6S2Cl2 + 16NH3 = S4N4 + 8S + 12NH4Cl 或6S2Cl2 + 16NH3 = S4N4 + S8 + 12NH4Cl （2 分）（共 2 分，方程式不配平不得分！，若再进一步写：5S8 + 40NH3=4N4S4 + 24NH4HS 不扣分）3-2. 画出 X 的结构；答案： （1 分，不画虚线不扣分，但严重偏离平行四边形或 NN，SS 在同一边不得分！）3-3. 在室温下，X 晶体能慢慢地自发聚合成长链聚合物，画出该聚合物的结构；答案： （2 分，不画虚线不扣分，但写下标 n 扣 1 分，若 NN，SS 直接相连不得分！）3-4. 上述长链聚合物依然以晶体形式存在，这种晶体属于哪种类型的晶体？简述理由。SNSNNSN*S*n5答案：混合型晶体；链内是化学键作用，链间是分子间离，因此是混合（型）晶体。（每个要点 1 分，共 2 分，说法不一定完全相同，但意思符合就得分）3-5. 上述长链聚合物能够导电，请说明它的导电性能比聚乙炔强还是弱。答案：强 （1 分）第第 4 题题 (12 分分) 化合物 A 只含金属 X 和氯元素，在水溶液中完全电离，生成氯离子和一种阳离子，个数比为 4：1。取 2.002g A 溶于水, 加入过量 AgNO3溶液, 生成 1.147g 白色沉淀。经测定，A 中的阳离子由 X 和 Cl 两种元素构成，与 SF6对称性一样。所有 X 原子都在 C4轴上，并且所有 X 原子的化学环境完全相同，但C4轴上没有 Cl 原子，任意两个相离最远的 Cl 原子的连线为此离子的 C3轴。4-1. 通过计算和推理确定 X 的元素符号；答案：由于与 SF6对称性一样，因此根据条件可推出阳离子为：X6Cl84+。（3 分） 设 2.002g A 为 y mol，则： )mol(10000. 2 ,147. 135.14343 yy （1 分） 设元素 X 的相对原子质量为 M，则： 93.95,002. 210000. 2)645.3512(3 MM （1 分） 查相对原子质量表，得知：X 为钼 Mo 元素。 （1 分）4-2. 写出 A 的化学式, 阴阳离子分开写；答案：Mo6Cl8 Cl4 （1 分）4-3. 指出 A 中阳离子的结构；答案：Mo 在正八面体的顶点上，Cl 在正八面体三角形面的面心上面。 （2 分）（2 分，不用文字说明，画图正确也得分！）4-4. 指出 X 的配位数是几？答案：Cl 原子对 Mo 的配位数为 4，其他 Mo 原子对 Mo 的配位数也是 4。 （1 分）（1 分，只答配位数是 4 也得 1 分！）4-5. X 之间是否成键? 若成键, 每个 X 与其他几个 X 成键? 若不成键, 说明原因。6答案：成键，与 4 个原子成键。 （2 分）（2 分，每个答案 1 分。）第第 5 题题 (10 分分) 氟磺酸 HSO3F 具有较低的熔点、不太高的沸点和低的黏度，是一种很有用的酸性溶剂。氟磺酸 HSO3F 是一种酸性很强的酸，其酸性比 HClO4还要强。5-1 氟磺酸 HSO3F 自电离反应如下： 2HSO3F H2SO3F+ + SO3F- K=H2SO3F+SO3F-=10-8 与 H2O 体系的 pH 标度类似，可以建立氟磺酸 HSO3F 的 pH 体系。根据上述数据建立这种标度，确定 pH 的范围，以及碱性、中性、酸性溶液的 pH；答案：pH 范围是 08，碱性 pH4、中性 pH=4、酸性 pH4。（2 分，每个答案 0.5 分。答 18 也得满分。）5-2 写出 KCl、HCl、NOCl 与氟磺酸 HSO3F 反应的方程式；答案：KCl + HSO3F = HCl + KSO3F 或 Cl -+ HSO3F = HCl + SO3F- （进一步写：HCl + HSO3F = H2Cl+ + SO3F- 不扣分，写成 Cl -+ 2HSO3F = H2Cl +2SO3F- 也得分。）HCl + HSO3F = H2Cl + SO3F - NOCl + HSO3F = HCl + NOSO3F （进一步写：HCl + HSO3F = H2Cl+ + SO3F- 不扣分，写成 NOCl + 2HSO3F = H2Cl + NOSO3F+ SO3F- 也得分。）（3 分，每个方程式 1 分。）5-3 在氟磺酸 HSO3F 中加入 SbF5可以生成酸性更强的“超酸”（或称为“魔酸”），写出生成超酸的方程式，并说明 SbF5是路易斯碱还是路易斯酸；答案：2HSO3F + SbF5 = SbF5OSO2F- + H2SO3F+ 或 2HSO3F + 2SbF5 = 2SbF5OSO2F- + H2SO3F+ （2 分）（2 分，不配平不得分。） SbF5是路易斯酸。 （1 分）5-4 在-78 超酸 HSO3FSbF5体系中，H2CO3可以接受质子。画出 H2CO3接受质子所生成离子的结构式，并说明 C 原子的杂化方式。答案：COOOHHH+7 C 采取等性 sp2杂化。（共 2 分，结构式 1 分，没有显示 HOC 为角形直接写-OH 不得分。答等性 sp2杂化 1 分，直接写 sp2杂化，也得 1 分。）第第 6 6 题（题（1111 分）分）二恶英(Dioxin)，又称二氧杂芑，是一种无色无味、毒性严重的脂溶性物质，二恶英实际上是二恶英类（ Dioxins）物质的简称，它指的并不是一种单一物质，而是结构和性质都很相似的包含众多同类物或异构体的两大类有机化合物，全称分别是氯 代二苯并二恶英 polychlorinated dibenzo-p-dioxin（简称 PCDDs，即结构 1 的氯取代物 ）和氯代二苯并呋喃 polychlorinated dibenzofuran（简称 PCDFs，即结构 2 的氯取代物）。每个苯环上都可以取代 14个氯原子，从而形成众多的异构体。二恶英的毒性非常大，是氰化物的 130 倍、砒霜的 900 倍，有“世纪之毒”之称。国际癌症研 究中心已将其列为人类一级致癌物。 据环保专家称，二恶英常以微小的颗粒 存在于大气、土壤和水中，主要的污染源是化工冶金工业、垃圾焚烧、造纸以及生产杀虫剂等产业。日常生活所用的胶袋， PVC（聚氯乙烯）软胶等物都 含有氯，燃烧这些物品时便会释放出二恶英，悬浮于空气中。6-1求出 PCDDs 的所有异构体数目；答案：一氯取代物异构体数目为：2二氯取代物异构体数目为：10三氯取代物异构体数目为：14四氯取代物异构体数目为：22五氯取代物异构体数目为：14六氯取代物异构体数目为：10七氯取代物异构体数目为：2八氯取代物异构体数目为：1 总异构体数目为：75（共 8 分，一到六取代物及总异构体数目 每答对 1 个得 1 分，七和八取代物答对 1 个得 0.5 分）6-2画出 PCDDs 中所有与乙烯对称性一样的 化合物的结构式。答案：OOO12OOClClClClOOClClClClClClClClOOClClClCl8（共 3 分，每个结构式 1 分。）第第 7 7 题（题（7 7 分）分）我们知道，若某种金属 M 采取最密堆积，用 A，B，C 表示堆积中不同的密置层，完成下面与密堆积有关的题目。7-1. 若在立方最密堆积的结构中，每隔两个密置层去掉一个密置层，如在ABCABC堆积中去掉 A 层，剩余部分相邻层之间与ABCABC中层与层间的关系一样紧密接触，这时堆积方式成为：BCBC，画出这种堆积方式所对应正当晶胞的结构图，并写出晶胞中各个原子的分数坐标；答案： 分数坐标：)21,31,32(),0 , 0 , 0(或)21,32,31(),0 , 0 , 0(（共 4 分，结构图 2 分，分数坐标 2 分，每个分数坐标 1 分。）7-2. 在金属 M 形成的立方最密堆积结构中，每两个密置层中间加入一个非金属元素 X 的密置层，用 a，b，c 表示 X 不同的密置层，若 M 和 X 形成的晶体的堆积方式为AbBaAbB，画出这种堆积方式所对应正当晶胞的结构图；答案：(结构图 2 分)7-3. 若在金属 M 形成的立方最密堆积结构中，每两个密置层中间加入一个非金属元素 Y 的密置层，用 a，b，c 表示 Y 不同的密置层，M 和 Y 形成的某晶体的堆积方式为AcBaCbAcBaCb，指出这种堆积方式对应哪种离子晶体结构类型。答案：对应 NaCl 型，或岩盐型。 （1 分）第第 8 8 题（题（7 7 分）分）邻氯苯甲醛是重要的化工中间体，主要用于医药和染料合成。邻氯苯甲醛传统的生产过程中产生大量的有毒废液，污染环境且流程复杂，产率低。电氧化法生产邻氯苯甲醛只消耗电能，无污染排出，符合当今环境友好的要求。该法在电解槽内进行，加入配好的 MnSO4与 H2SO4的混合溶液，进行恒电流电解，将 Mn2+全部转化成 Mn3+后，停止电解。然后加入一定量的邻氯甲苯，控温搅拌反应，至溶液由紫色变为无色为反应结束，得到邻氯苯甲醛。写出上述过程的相应反应式。已知：(Mn3+/Mn2+)= 1.51V； (H+/H2) =0.0V；酸性溶液中 (O2/H2O) =1.23 V 9答案：阳极反应： Mn2+-e- = Mn3+ 阴极反应： 2H+ + 2e- = H2 涉及邻氯甲苯转化为邻氯苯甲醛的总反应： CH3Cl+ 4Mn3+ + H2OCHOCl+ 4Mn2+ +4 H+CH3Cl+ 4Mn3+ + H2O+4SO42-CHOCl+ 4Mn2+ +4 HSO4-（共 7 分，阳极反应 1 分，阴极反应 2 分，总反应 4 分。总反应写成上述之一都得 4 分）第第 9 9 题（题（1313 分）分）治疗和预防胃肠病和肝病的新药开发一直是医药企业研究的热点，最近，LG Chem 公司合成了一种治疗和预防胃肠病和肝病的新药 F，其合成路线如下。OOHNOHNH2OH, Na2CO3EtOH, H2OANCS, DMF40oCB (C10H19O3N2Cl)FEDCH2COOEt3N, Et2O-78oCCF3COOH, CH2Cl2OOONH2NO OHEt3N, DMF-H2ONaOH, H2OTHFEt3N, DMF-H2OOOH2NOO9-1 画出 A、B、C、D、E 和 F 的结构简式。10答案：（共 12 分，A、B、C、D、E 和 F 的结构简式每个 2 分，共 12 分）9-2 指出生成 A 的反应类型。答案：加成-消去反应，答加成，消去，缩合都得分。 （1 分）第第 1010 题（题（8 8 分）分）化合物 A 是合成雌酮激素的中间体，人们采取下列方法合成了化合物 A：+OOOAlCl3BHNO3H2SO4CZn/HClDNaNO2H2SO4,0-5oCH+H2OE(CH3O)2SO4,NaOHFSOCl2G(CH3)2CuLiA写出 B、C、D、E、F 和 G 的结构简式。答案：OOHNOOOOHNNHOHOOHNNClOHOOONNHOOOOONNHOABCOONaONNHODEOONNHOFH3COOA11OCOOHOCOOHO2NCOOHH2NBGFEDCCOOHOHCOOHH3COCOClH3CO （C，E 各各 2 分，其余每个分，其余每个 1 分，共分，共 8 分）分）
