十年奥赛（奥林匹克竞赛）真题分类汇总-碳族元素和硼族元素.pdf

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1、碳族元素和硼族元素碳族元素和硼族元素第第1题题 (共6分) 实验室制备少量硅一般采用镁粉还原SiO2的方法，然后用稀盐酸洗涤产品以除去杂质。某同学在进行上述操作时，在制得的产品中加HCl洗涤时突然起火。(1)请用化学方程式解释：稀盐酸洗涤产品可除去哪些主要杂质?为什么加HCl洗涤时突然起火?(2)请设计一个实验来验证你的解释。(不必画出装置图，也不必指出具体化学药品，不要写方程式，只要简明指出方法。)1(共6分) (1) 2HCl+MgOH2O+MgCl2 2HCl+MgH2+MgCl2 SiO2+4Mg Mg2Si +2MgO Mg2Si+4HClSiH4+2MgCl2 SiH4+2O2Si

2、O2+2H2O (2) 在N2保护下(或惰性气体)，对硅烷气体进行检验。 SiH4+2KMnO4H2+K2SiO3+2MnO2+ H2O (不要求) (方程式各1分，检验1分)第第 2 题题(8 分分) C60的发现开创了国际科学的一个新领域，除 C60分子本身具有诱人的性质外，人们发现它的金属掺杂体系也往往呈现出多种优良性质，所以掺杂 C60成为当今的研究热门领域之一。经测定 C60晶体为面心立方结构，晶胞参数 a=1420pm。在 C60中掺杂碱金属钾能生成盐，假设掺杂后的 K+填充 C60分子堆积形成的全部八面体空隙，在晶体中以 K+和 C60存在，且 C60可近似看作与 C60分子半径

3、相同的球体。已知 C 的范德华半径为 170pm，K+的离子半径 133pm。11-1 掺杂后晶体的化学式为 ；晶胞类型为 ；如果为 C60顶点，那么 K+所处的位置是 ；处于八面体空隙中心的 K+到最邻近的C60中心的距离是 pm。11-2 实验表明 C60掺杂 K+后的晶胞参数几乎没有发生变化，试给出理由。11-3 计算预测 C60球内可容纳的掺杂原子的半径。第第 11 题题(8 分分)11-1 KC60 面心立方晶胞 体心和棱心 710pm (各 1 分,共 4 分)11-2 C60分子形成面心立方最密堆积,由其晶胞参数可得 C60分子的半径： pmaCr50222142022)(60所

4、以 C60分子堆积形成的八面体空隙可容纳的球半径为：r(容纳)=0.414r(堆积)=0.414502=208pm这个半径远大于 K+的离子半径 133pm，所以对 C60分子堆积形成的面心立方晶胞参数几乎没有影响(2 分)11-3 因 r(C60)=502pm，所以 C60球心到 C 原子中心的距离为：502-170=332 pm所以空腔半径，即 C60球内可容纳原子最大半径为：332-170=162 pm第第 3 题题 (共共 11 分分)2005 年 1 月美国科学家在Science 上发表论文，宣布发现了Al 的超原子结构，并预言其他金属原子也可能存在类似的结构，这是一项将对化学、物理

5、以及材料领域产生重大影响的发现，引起了科学界的广泛关注。这种超原子是在Al 的碘化物中发现的，以13 个 Al 原子或 14 个 Al 原子形成Al13或Al14超原子结构，量子化学计算结果表明，Al13形成 12 个 Al 在表面，1 个 Al 在中心的三角二十面体结构，Al14可以看作是一个Al 原子跟 Al13面上的一个三角形的3 个 Al 形成 AlAl 键而获得的。文章还指出，All3和 All4超原子都是具有40 个价电子时最稳定。(1) 根据以上信息可预测 Al13和 Al14的稳定化合价态分别为 和 。A114应具有元素周期表中哪 类化学元素的性质，理由是： (2) 对 Al1

6、3和 A114的 AlAl 键长的测定十分困难，而理论计算表明，Al13和 Al14中的 AlAl 键长与金属铝的 AlAl 键长相当，已知金属铝的晶体结构采取面心立方最密堆积，密度约为 2.7g/cm3，请估算Al13和 Al14：中 AlAl 的键长。(3) Al13三角二十面体中有多少个四面体空隙，假设为正四面体空隙，如果在其中搀杂其他原子，请通过计算估计可搀杂原子的半径最大为多少?12(共共 11 分分) (1)1 +2 (Al13- Al142+) (2 分，各 1 分) 碱土金属 因为 Al14容易失去 2 个电子而呈现+2 价 (1 分) (2) 根据晶体密度公式可得： 故晶胞参

7、数 =405pm3237 . 21002. 6427aNMZVA 因为金属铝形成面心立方晶胞，所以原子半径与晶胞参数之间的关系为： pmpmarra143405424242 所以估计 Al-Al 键长约为：2r=2143pm=286pm (3 分) (3) 有 20 个四面体空隙 (2 分) 设 Al 的半径为 R，正四面体空隙可以填充的内切球半径为 r，则正四面体边长 b=2R，立方体边长，R2立方体对角线为：RRR6)2()2(2122RrR621所以 (3 分)PmpmRRr2 .32143225. 0225. 0) 126(（20032003）第）第 5 题题（8 分分） 在 30oC

8、 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键方式。41 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

9、： Na B H O 14.90/23.0 = 0.648 7.03/10.8 = 0.651 5.24/1.008= 5.20 72.83/16.0=4.55 1 1 8 7 X 变成 Y 是脱水过程。X 为 NaBH2O43H2O, 则 Y 中 Na 的质量百分数为 23/99.8 = 0.23 （若 X 是 NaBO34H2O，则 Y 中 Na 的质量分数为 23/81.8=0.28 不符合题意。 ） (1 分)42 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） 。 HOBHOOOOOBO HO H2-(5 分； 不写“2”不扣分。) 参考图形：（20

10、04 年）第年）第 13 题（题（9 分）分）88.1 克某过渡金属元素 M 同 134.4 升（已换算成标准状况）一氧化碳完全反应生成反磁性四配位络合物。该配合物在一定条件下跟氧反应生成与 NaCl 属同一晶型的氧化物。1推断该金属是什么；2在一定温度下 MO 可在三氧化二铝表面自发地分散并形成“单分子层” 。理论上可以计算单层分散量，实验上亦能测定。(a)说明 MO 在三氧化二铝表面能自发分散的主要原因。(b)三氧化二铝表面上铝离子的配位是不饱和的。MO 中的氧离子在三氧化二铝表面上形成密置单层。画出此模型的图形；计算MO 在三氧化二铝（比表面为 178 m2/g）表面上的最大单层分散量（

11、g/m2） （氧离子的半径为 140 pm） 。1 （88.1g/MM）（134.4L/22.4Lmol1）14（1 分）MM58.7gmol1 M 是 Ni （1 分） （共 2 分）2(a)主要原因是混乱度（熵）增加了（从表面化学键角度讨论焓变、熵变和自由能变化也可） 。 （1分）(b)氧离子在氧化铝表面作密置单层排列，镍离子有规律地填入三角形空隙（图） 。（密置层 1 分，填隙 1 分，共 2 分）1 个“NiO”截面：(2rO2)2sin120(21401012m)2sin1206.791020m2（2 分）1m2Al2O3表面可铺 NiO 数：1m2/6.791020m21.4710

12、19（1 分）相当于：74.7gmol11.471019m26.0221023 mol11.82103g(NiO)/m2(Al2O3)（1 分） （共 4 分）（将 1 个“NiO”截面算成 6.781020 m2，相应的 1m2Al2O3表面可铺 NiO 数为 1.481019，不扣分。（2006 年）第年）第 11 题题（11 分） 磷化硼是一种受到高度关注的耐磨涂料，它可用作金属的表面保护层。磷化硼可由三溴化硼和三溴化磷在氢气中高温反应合成。11-1.写出合成磷化硼的化学反应方程式。 BBr3PBr33H2BP6HBr （1 分）分）11-2.分别画出三溴化硼分子和三溴化磷分子的结构。

13、BrBBrBr PBrBrBr (画不画磷上的孤对电子不影响得分） 平面三角形 三角锥 （2 分）分） 11-3 磷化硼晶体中磷原子作立方最密堆积，硼原子填入四面体空隙中。画出磷化硼的正当晶胞示意图。 ( 注：填入另外四个四面体空隙也可，但不能一层空一层填） （2 分）分）11-4已知磷化硼的晶胞参数 a = 478 pm，计算晶体中硼原子和磷原子的核间距（dB-P） 。 dB-P207pmpm478341341a或 dB-P( 2 分分) 11-5 画出磷化硼正当晶胞沿着体对角线方向的投影（用实线圆圈表示 P 原子的投影，用虚线圆圈表示 B 原子的投影） 。 ( 4 分分)（20072007

14、）第）第 6 6 题（题（1212 分）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。20072007 第第 7 7

15、 题（题（1212 分）分）通常，硅不与水反应，然而，弱碱性水溶液能使一定量的硅溶解，生成 Si(OH)4。1-1 已知反应分两步进行，试用化学方程式表示上述溶解过程。 早在上世纪 50 年代就发现了 CH5+的存在，人们曾提出该离子结构的多种假设，然而，直至 1999 年，才在低温下获得该离子的振动-转动光谱，并由此提出该离子的如下结构模型：氢原子围绕着碳原子快速转动；所有 C-H 键的键长相等。1-2 该离子的结构能否用经典的共价键理论说明？简述理由。1-3 该离子是（ ） 。A.质子酸 B.路易斯酸 C.自由基 D.亲核试剂2003 年 5 月报道，在石油中发现了一种新的烷烃分子，因其结

16、构类似于金刚石，被称为“分子钻石” ，若能合成，有可能用做合成纳米材料的理想模板。该分子的结构简图如下：1-4 该分子的分子式为 ；1-5 该分子有无对称中心？ 1-6 该分子有几种不同级的碳原子？ 1-7 该分子有无手性碳原子？ 该分子有无手性？ 第第 2 题（题（13 分）分）化合物 SOCl2是一种液态化合物，沸点 77，实验室中可用 CaSO3和 PCl5混合共热制备。在工业生产和化学实验中，SOCl2是一种重要的化学试剂。在盛有 10mL 水的锥形瓶中小心地滴加 810 滴SOCl2，可观察到反应剧烈发生，液面上有白雾形成，并逸出刺激性气味的气体。1写出 CaSO3与 PCl5共热制

17、备 SOCl2的化学方程式。2写出 SOCl2与 H2O 完全反应的化学方程式。3设计一些简单实验来验证你写出的化学方程式是正确的。 （只需给出实验原理和现象，无须描述实验仪器和操作） 。4工业上往往用 ZnCl23H2O 和 SOCl2混合共热来制取无水 ZnCl2。说明该种制法可行性的原因。5SOCl2在有机化学中作氯化剂。写出苯甲酸和 SOCl2反应的化学方程式。6为了使（5）生成的有机物与混溶在其中的过量的 SOCl2分离，可以采用的分离操作是 。1CaSO32PC15CaC122POCl3SOC12（2 分）2SOCl2H2OSO22HCl（2 分）3向水解产物的水溶液中通入 H2S 气体有淡黄色（硫磺）沉淀析出（2H2SSO23S2H2O） ；向另一份水解产物的水溶液中加入 AgNO3溶液有白色（AgCl）沉淀析出（AgClAgCl） （4 分）4直接加热 ZnCl23H2O，由于 Zn2水解得不到 ZnCl2。SOCl2与晶体 ZnCl23H2O 混合共热时，SOCl2优先于 Zn2与水结合生成 HCl，减少了 Zn2与 H2O 反应的程度，同时生成的 HCl 抑制 Zn2水解，最终得到无水 ZnCl2。 （2 分）5COOHSOCl2COClSO2HCl（2 分）6蒸馏（1 分）