第22届全国高中学生化学竞赛决赛理论试题.pdf
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1、6 8 化学教育 2 0 0 9 年第5 期 T B 肄 晕蝻随黄 中国化学会第2 2 届全国高中学生化学竞赛( 决赛) 理论试题 ( 2 0 0 9 年1 月7 日陕西西安) 第l 题 金在自然界中主要以分散的单质形式存在,需 要先富集再提炼。富集后的精矿用混汞法、氰化法 等工艺提取金。混汞法是使矿浆中的金粒与汞生成 金汞齐。然后蒸去汞得到海绵金( 又称汞金) 。氰化 法是在氧化剂( 如空气或氧气) 存在下,用可溶性氰 化物( 如N a C N ) 溶液浸出矿石中的金( 浸出产物为 E A u ( C N ) z 一) ,再用置换法或电沉积法从浸出液中 回收金。 1 1 写出用氰化物溶金反应
2、和用Z n 粉置换 金的化学反应方程式。 1 2 已知E o ( 0 2 H 2 0 ) 一1 2 2 9V , E e ( A u + A u ) 一1 6 9V ,砰( H C N ) = 4 9 3 1 0 一1 0 , 尼( A u ( C N ) 2 一) 一2 0 0 X1 0 3 8 ,F 一9 6 4 8 5J V 一1 m o l 。 设配制的N a C N 水溶液的浓度为1 0 0 1 0 一m o l L 、生成的 A u ( C N ) : 一配离子的浓度为 1 0 0 1 0 m o l L 、空气中0 2 的体积分数为0 2 1 0 , 计算2 9 8K 时在空气中
3、溶金反应的自由能变。 1 3 当电极反应中有H + 或( ) H 一时,其电极 电势E 将受p H 的影响,E p H 图体现了这种影响。 E p H 图上有3 种类型的线:电极反应的E 与 p H 有关,为有一定斜率的直线;电极反应的E 与 p H 无关,是一条平行于横坐标的直线;非氧化还原 反应,是一条平行于纵坐标的直线。 电对的E p H 线的上方,是该电对的氧化型 的稳定区,E p H 线的下方,是还原型的稳定区;位 于高位置线的氧化型易与低位置线的还原型反应; 各曲线的交点所处的E 和p H ,是各电极的氧化型 和还原型共存的条件。 下图是氰化法溶金过程的A u C N H z O
4、系 统的E p H 图,试借助该图对溶金反应和溶金的 工艺条件进行讨论。 024681 01 21 4 p H A u - C N - H 2 0 的B p H 图 第2 题 液氨是一种广泛使用的类水溶剂。 2 1 作为溶剂,N H 。分子也能发生类似于 H z 0 分子的缔合作用,说明发生这种缔合的原因和 比较这种缔合作用相对于水的大小。 2 2 以液氨作为溶剂最引起化学家兴趣的是 它能够溶解一些金属,如电极电势小于一2 5V 的 碱金属、部分碱土金属及镧系元素可溶于液氨,形成 蓝色的具有异乎寻常性质的亚稳定态溶液,这种溶 液具有顺磁性和高的导电性,溶液的密度比纯溶液 的密度小。碱金属的液氨
5、溶液是可供选择使用的强 还原剂,广泛应用于合成一些非正常氧化态的金属 配合物和其他化合物。 研究发现在金属N a 的液氨溶液中存在着以下 友应: NH。 N a ( s ) 当N a ( N H 3 ) 或N a ( s ) + N H 3 # 兰N a ( N H 3 ) 2 N a ( N H 3 ) 芦N a 2 ( N H 3 ) + N H 3K e 5 1 0 3 N a ( N H 3 ) + N H 3 高N a 十( N H 3 ) + e 一( N H 3 ) K e 1 0 一2 N a 一( N H 3 ) + N H 3 爿- - - - - - - - N a (
6、N H 3 ) + e 一( N H 3 ) 、 K e - 1 0 3 2 e 一( N H 3 ) F 兰一( N H 3 ) + N H 3 金属N a 在液N H 。溶剂中生成氨合金属N a ( N H 3 ) 、N a 2 ( N H 3 ) ,氨合阳离子N a + ( N H 3 ) ,氨合 阴离子N a 一( N H 。) 及氨合电子e ( N H 3 ) 、 一( N H 。) 等物种。 试根据以上信息解释碱金属液氨溶液的高导电 性和顺磁性。 写出 P t ( N H 。) 。 B r 2 与K 在液氨中的反应方 程式。 2 3 溶剂N H 。分子自动电离形成铵离子和 氨基离子
7、: 2 N H 3 寻N H + N H F F = E N H : XE N H ; 一1 0 _ 2 7 其离子积常数K e 虽然比H :0 的磁小得多, 但同样可以建立类似于水体系中的p H 标度。试建 立这种标度,确定酸性、中性和碱性溶液的p H 。 2 4 在液氨中的许多反应都类似于水中的反 应,试写出T i C I 。、Z n 2 + 和L i 。N 在液氨中反应的方 程式。 2 5 在水体系中以标准氢电极为基准建立了 标准电极电势系统,在液氨体系中同样也以标准氢 电极建立类似于水体系的液氨体系中的标准电极电 势系统。试写出标准氢电极的半反应方程式及标准 电极电势。 万方数据 2
8、0 0 9 年第5 期化学教育6 9 2 6 在液氨体系中某些金属的标准电极电势 跟这些金属在水溶液的标准电极电势十分相近。已 知在液氨体系中,6 N H 才+ N z + 6 e 一- 一- - - - - 8 N H 。的 E o = o 0 4V 。试设计一个在液氨中实施用氢固氮 的反应,并预计其反应条件,简述理由。 2 7 液氨作为溶剂在化学分析中广泛用于非 水滴定,试述哪些不宜于在水溶液中滴定的酸碱体 系可以在液氨中进行。 第3 题 复方阿司匹林片是常用的解热镇痛药,其主要 成分为乙酰水杨酸。我国药典采用酸碱滴定法对其 含量进行测定。 虽然乙酰水杨酸( 相对分子 C O o H 质量
9、1 8 0 2 ) 含有羧基可用 。 N a O H 溶液直接滴定,但片剂弋人 中往往加入少量酒石酸或柠檬 O C O C H s 酸稳定剂,制剂工艺过程中也可 乙酰水杨酸 能产生水解产物( 水杨酸、醋酸) ,因此宜采用两步滴 定法。即先用N a O H 溶液滴定样品中共存的酸( 此 时乙酰水杨酸也生成钠盐) ,然后加入过量N a O H 溶液使乙酰水杨酸钠在碱性条件下定量水解,再用 H z S 0 4 溶液返滴定过量碱。 3 1 写出定量水解和滴定过程的反应方程式。 3 2 定量水解后,若水解产物和过量碱浓度均 约为0 1 0m o l L ,H 2 S 0 4 溶液浓度为0 1 0 0 0
10、m o l L , 则第二步滴定的化学计量点p H 是多少? 应选用什 么指示剂? 滴定终点颜色是什么? 若以甲基红作指 示剂,滴定终点p H 为4 4 ,则至少会有多大滴定误 差? ( 已知水杨酸的离解常数为p K 。,= 3 0 ,p K a 2 = 1 3 1 ;醋酸的离解常数为p K 。= 1 8 1 0 - 5 ) 。 3 3 取1 0 片复方阿司匹林片,质量为r e ( g ) 。 研细后准确称取粉末m ,( g ) ,加2 0m L 水( 加少量 乙醇助剂) ,振荡溶解,用浓度为c ,( m o l L ) 的 N a O H 溶液滴定,消耗V 。( m L ) ,然后加入浓度为
11、C 。 的N a O H 溶液V 2 ( m L ) ;再用浓度为C 2 ( t o o l L ) 的 H :S 0 4 溶液滴定,消耗V a ( m L ) ,试计算片剂中乙酰 水杨酸的含量( r a g 片) 。 第4 题 金属L i 在常温常压下与N z 气反应生成红棕色 的离子化合物旷L i 。N ,该晶体有良好的导电性,具 有潜在应用价值。X 一射线衍射分析确定,o - L i 。N 晶体是由L i :N 一平面层和非密置的L i + 层交替叠加 而成,其中L i 。N 一平面层中的L i + 如同六方石墨层 中的C 原子,N 3 一处在六元环的中心,N N 间的距 离为3 6 4
12、 8p m 。非密置层中的“+ 与上下L i 2 N 一层 中的N 3 一呈直线相连,N L i N 长度为3 8 7 5p m 。 已知N 3 一和L i + 离子半径分别为1 4 6p m 和5 9p m 。 请完成下列问题。( 相对原子质量:L i 6 9 4 ;O 1 6 0 0 ;T i4 7 8 8 ) 4 1 分别域出L i 2 N 一层的结构,最小重复单 位以及c r L i s N 的晶胞。 4 2 确定该晶体的结构基元、点阵型式以及 N 3 一的L i + 离子配位数。 4 3 计算L i 2 N 一层L i N 中间距离。 4 4 通过计算说明旷L i s N 晶体导电的
13、原因。 假如N 3 一作六方最密堆积( h c p ) ,指出L i + 离子占据 空隙类型及占据百分数,回答该结构的L i 。N 能否 导电,简述理由。 4 5 金属L i 在高温下与T i 0 2 反应可生成多 种晶型的L i T i 2 0 。,其中尖晶石型L i T i 20 4 为面心 立方结构。( ) 2 一作立方最密堆积( c o p ) ,若L i + 离子 有序地占据四面体空隙,T i 4 十和T i 3 + 离子占据八面 体空隙。已知晶胞参数a 一8 4 0 5p m ,晶体密度 D = 3 7 3 0g c m 。请分别计算晶胞中所含原子 数目和仔一离子半径的最大可能值。
14、若不计其他离 子,给出以“+ 离子为顶点的最小单位。 第5 题 新陈代谢不仅需要酶,而且需要能量。糖类是 细胞的主要能源物质之一,脂肪是生物体内储存能 量的主要物质。但是,这些有机物中的能量都不能 直接被生物体利用,它们只是在细胞中随着这些有 机物逐步氧化分解而释放出来,并且储存在生物活 性体系中一种非常重要的高能磷酸化合物三磷酸腺 苷( 简称A T P ) 中才能被生物体利用。A T P 是新陈 代谢所需能量的直接来源,它是许多生化反应的初 级能源。A T P 的水解是一个较强的放能作用,在有 关酶的催化作用下,A T P 水解转化成二磷酸腺苷 ( 简称A D P ) 和磷酸盐: A T P
15、 + H z ( ) 一A D P + P i ( 磷酸盐) 已知2 9 8 2K 时该反应:r G :1 ( 2 9 8 2K ) 一 - - 3 0 5 8k J t o o l , 厶H :1 ( 2 9 8 2K ) = 一2 0 1 0k J m o l ,厶G 0 3 1 0 2K ( 人体温度) 时反应: 谷氨酸盐+ N H g = 谷氨酰胺+ H z o ,僻。2 ( 3 l O 2K ) 一1 5 7 0 埘t o o l _ 1 5 1 通过计算回答在3 1 0 2K ,标准状态下, 人体内能否由下述反应合成谷氨酰胺? 谷氨酸盐+ N H :- + A T P = 谷氨酰胺
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- 22 全国 高中学生 化学 竞赛 决赛 理论 试题
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