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Finales del Concurso Nacional de Química para Estudiantes de Secundaria de 2004
Preguntas y respuestas teóricas
Primera pregunta (6 puntos) ) Seleccione los códigos de letras (A~H) de las sustancias apropiadas en la Tabla 1 y complételos entre corchetes (elección única) después de los títulos correspondientes (①-⑧), y complete los espacios en blanco según sea necesario.
Tabla 1 Sustancias representadas por letras
A B C D E F G H
NO2+ NO N2O3 N2H4 NH3 N2O4 H2N2O2 NH2OH
① ( ) no es un plano molécula y sus derivados se utilizan como combustibles de alta energía.
②( ) Hay dos isómeros y la estructura de un isómero es .
③( ) tiene una estructura lineal y el nivel de enlace de cada enlace en la fórmula estructural de Lewis es 2,0.
④ ( ) es una molécula plana, incolora, y uno de sus cuerpos isoelectrónicos es .
⑤ ( ) Es a la vez ácido y alcalino, y puede utilizarse como refrigerante.
⑥（ ）Es a la vez ácido y alcalino; es a la vez un agente oxidante y un agente reductor, y se utiliza principalmente como agente.
⑦ ( ) es una molécula paramagnética.
⑧（ ）La solución acuosa se descompondrá para generar N20, y la fórmula de reacción es .
Pregunta 2 (6 puntos) La figura 1 es el diagrama △fGm /F-Z del elemento. Se basa en los diferentes estados de oxidación Z del elemento y los △fGm /F de las especies correspondientes en el. estado estándar termodinámico pH = 0 o pH == 14 gráfico. La pendiente de la línea que conecta dos especies cualesquiera en la figura es numéricamente igual al potencial del electrodo estándar ψA o ψB del par eléctrico correspondiente. A y B representan respectivamente pH=0 (línea continua) y pH=14 (línea discontinua).
Los valores de △fGm /F para cada especie en la figura anterior se muestran en la Tabla 2.
Tabla 2 △fGm /F de cada sustancia
A X- X2 HXO HXO2 XO3- XO4-
F -3.06 0 / / / /
Cl -1,36 0 1,61 4,91 7,32 9,79
Br -1,06 0 1,60 / 7,60 11,12
I -0,54 0 1,45 / 5,97 9,27
B X- X2 XO- XO2- XO3- -1.06 0 0.45 / 2.61 4.47
I -0.54 0 0.45 / 1.01 2.41
⒈ Calcula usando los datos proporcionados en la tabla anterior: ψA (IO3-/I-) ψB (IO3- /I-) ψA (ClO4-/HClO2)
⒉Respuesta basada en la información anterior: Para halógenos en el mismo estado de oxidación, ¿es la capacidad oxidante de ¿Su oxiácido es mayor, igual o menor que el de su oxiácido?
⒊La salmuera existe principalmente en el agua de mar en la naturaleza, y cada tonelada de agua de mar contiene aproximadamente 0,14 kg de bromo. El punto de ebullición del Br2 es 58,78°C; la solubilidad del bromo en agua es 3,58 g/100 g H2O (20°C). Utilice la información de esta pregunta para explicar cómo extraer Br2 del agua de mar, escriba la ecuación química correspondiente y utilice un diagrama de bloques para expresar el proceso.
Pregunta 3 (6 puntos) El ácido peracético es un desinfectante de amplio espectro que se puede producir haciendo reaccionar peróxido de hidrógeno con ácido acético. Se pueden obtener diferentes concentraciones de peróxido ajustando las concentraciones de ácido acético y peróxido de hidrógeno. Ácido acético.
El método de análisis del contenido de ácido peracético es el siguiente:
Pesar con precisión 0,5027 g de muestra de ácido peracético y colocarlo en un recipiente precargado que contenga 40 mLH20 y 5 mol 3 mol. /L
p>
Se colocan una solución de H2SO4 y 2 a 3 gotas de una solución de MnSO4 de 1 mol/L en un matraz aforado de yodo enfriado a 5°C, se agita bien y se titula con 0,02366 mol/L de solución estándar de KMnO4 hasta que la solución se torne de color rosa claro (30 s no se desvanece) y consuma 12,49 ml, luego agregue 10 ml de solución de KI al 20 % y 2 a 3 gotas de solución de (NH4) 2 MoO4 (para actuar como; un catalizador y reducir el color de la solución), agitar suavemente, tapar y almacenar en un lugar oscuro Dejar durante 5 a 10 minutos, valorar con solución estándar de Na2S2O3 0,1018 mol/L, agregar 3 mL de indicador de almidón al 0,5% cuando se acerque al punto final, continuar la titulación hasta que desaparezca el azul y mantener durante 30 segundos sin volver a colorear. Este es el punto final y se han consumido 23,61 ml.
⒈Escribe la ecuación química relacionada con la medida.
⒉ Calcula la fracción másica del ácido peracético (requiere 3 cifras significativas; la masa molar del ácido peracético es 76,05 g/mol).
⒊La titulación de KMnO4 de este método es diferente al método convencional ¿Por qué?
⒋ Explique brevemente por qué los resultados experimentales de este método solo pueden alcanzar 3 cifras significativas.
⒌El ácido peracético es inestable y susceptible a la descomposición térmica. Escribe la ecuación para la reacción de descomposición térmica.
Pregunta 4 (8 puntos) Shirakawa Hideki de Japón sintetizó por primera vez una película de poliacetileno con brillo metálico en 1977 y descubrió que era conductora. Este es el primer polímero conductor del mundo. Los investigadores ganaron el Premio Nobel de Química en 2000 por este trabajo.
⒈Escribe las configuraciones cis y trans de las moléculas de poliacetileno.
⒉. Si la molécula de poliacetileno se considera un cristal unidimensional, señale las unidades estructurales del cristal.
⒊Supongamos que hay un poliacetileno polimerizado por 9 moléculas de acetileno. La longitud promedio del enlace carbono-carbono en las moléculas de poliacetileno es de 140 pm. Si las moléculas de poliacetileno lineales anteriores están conectadas cabeza con cola para formar una molécula de anuleno macrocíclica, dibuje la estructura de la molécula. La energía de los electrones π que se mueven en el anillo puede estar dada por la fórmula, donde h es la constante de Planck (6,626 × 10-34J?s), me es la masa del electrón (9,109 × 10-31kg) y l es la longitud de la periferia del macroanillo, número cuántico n=0, ±1, ±2,... Calcula la longitud de onda de la luz que un electrón necesita absorber para pasar del estado fundamental al primer estado excitado.
Pregunta 5 (6 puntos) El hidrógeno es una fuente de energía importante y limpia. Para utilizar el hidrógeno como energía, es necesario resolver el problema del almacenamiento seguro y eficaz de hidrógeno. Los químicos han desarrollado el uso de aleaciones para almacenar hidrógeno. El LaNi5 es un material de almacenamiento de hidrógeno. Se ha determinado la estructura cristalina de LaNi5 y pertenece al sistema cristalino hexagonal. Los parámetros de la celda unitaria son a = 511 pm yc = 397 pm. La estructura cristalina se muestra en la Figura 2.
⒈Dibuja una celda unitaria de LaNi5 a partir del diagrama de estructura cristalina de LaNi5.
⒉¿Cuántos átomos de La y Ni están contenidos en cada celda unitaria?
⒊La celda unitaria de LaNi5 contiene 3 espacios octaédricos y 6 espacios tetraédricos. Si cada espacio se llena con 1 átomo de H, calcule la densidad del hidrógeno después de que el material de almacenamiento de hidrógeno absorba el hidrógeno. ¿La densidad del hidrógeno (8,987 × 10-5 g?m-3) en condiciones estándar? (La masa atómica relativa del hidrógeno es 1,008; la velocidad de la luz c es 2,998×108 m?s-1; ignore el cambio de volumen de la celda unitaria antes y después de absorber hidrógeno).
Pregunta 6 (7 puntos) Más del 70% de la superficie terrestre es océano, y alrededor del 95% de las especies biológicas del mundo se encuentran en el océano. Se puede observar que el océano es extremadamente rico en recursos naturales. recursos y es un recurso natural que necesita ser desarrollado.
Se aisló un compuesto orgánico A con actividad fisiológica a partir de cierto microorganismo marino. Se determinó que la fórmula química de A era C15H28O4 mediante espectrometría de masas y análisis elemental. En solución de benceno, A puede reaccionar con cantidades iguales de Pb(OAc)4 y el producto se hidroliza con ácido para obtener ácido glioxílico y otro compuesto B. B pierde una molécula de agua cuando se calienta para obtener el compuesto C. Combine la solución de C y KMnO4 para obtener ácido oxálico y ácido undecanoico.
⒈Escribe las fórmulas estructurales de los compuestos A, B y C.
⒉¿Cuántos isómeros ópticos de A pueden existir?
⒊Se ha medido que el compuesto B tiene una configuración S. Escriba la fórmula conformacional más estable del compuesto A.
⒋Escribe la fórmula conformacional del α-monoglucósido formado por el grupo 3-hidroxilo de A y D-manosa. La fórmula estructural de la D-manosa es la siguiente:
Pregunta 7 (9 puntos)
⒈Escribe las fórmulas estructurales de A a D en la siguiente fórmula de reacción:
Sugerencias: Las siguientes reacciones son comunes en la síntesis de fármacos:
⒉Escriba las fórmulas estructurales de E~I en las siguientes fórmulas de reacción:
Pregunta 8 (12 puntos) Montado en un vehículo Pila de combustible de membrana de intercambio de protones de metanol (Existen dos procesos para convertir vapor de metanol en hidrógeno en PEMFC: (1) método de cambio (reformado) de vapor de agua; (2) método de oxidación del aire. Ambos procesos producen CO como subproducto.
⒈Escribe las ecuaciones químicas de estos dos procesos respectivamente y explica las ventajas y desventajas de estos dos procesos mediante el cálculo.
La información relevante (298,15K) se enumera en la Tabla 3.
Tabla 3 Datos termodinámicos de las sustancias
Sustancia ΔfHm /kJ?mol-1 Sm /J?K-1?mol-1
CH3OH(g) -200,66 239,81
CO2(g) -393,51 213,64
CO(g) -110,52 197,91
H2O(g) -241,82 188,83
H2 (g) 0 130,59
⒉ Una pequeña cantidad de CO producido por los dos procesos anteriores será adsorbida en la superficie del Pt u otros catalizadores de metales preciosos en la celda de combustible, dificultando la adsorción y la electro -oxidación del H2, y provocando que el rendimiento de descarga de la pila de combustible disminuyera drásticamente, por lo que se desarrollaron métodos para eliminar el CO. El conjunto existente de resultados experimentales (500K) se muestra en la Tabla 4.
En la tabla, PCO y PO2 son las presiones parciales de CO y O2 respectivamente; rco es la tasa de oxidación de CO expresada como el número de moléculas de CO consumidas en cada sitio activo de Ru del catalizador por segundo.
⑴ Encuentre el orden de reacción (tome un número entero) de la reacción de oxidación de CO en el catalizador Ru para CO y O2 respectivamente, y escriba la ecuación de velocidad.
⑵ La superficie del Ru sólido tiene la capacidad de adsorber moléculas de gas, pero las moléculas de gas solo pueden adsorberse cuando encuentran sitios activos vacíos. Cuando la energía cinética del movimiento térmico de las moléculas adsorbidas es suficiente para superar la barrera del campo gravitacional sólido, pueden ser desorbidas y regresar a la fase gaseosa. Suponiendo que la adsorción y desorción de CO y O2 no se afectan entre sí y que la superficie es uniforme, θ representa el porcentaje de moléculas de gas que cubren el sitio activo (cobertura), entonces la tasa de adsorción de gas es proporcional a la presión del gas. , y también a la superficie sólida es proporcional al número de dígitos activos vacíos.
La investigación propone un mecanismo para la reacción de oxidación del CO sobre Ru de la siguiente manera:
Entre ellos, kco, ads, kco, des son las constantes de velocidad de adsorción de CO en los sitios activos. de Ru respectivamente y la constante de velocidad de desorción, ko2,ads es la constante de velocidad de adsorción de O2 en el sitio activo de Ru. M representa los sitios activos en la superficie del catalizador de Ru. La adsorción de CO en los sitios tensioactivos de Ru es mucho más fuerte que la adsorción de O2.
Con base en el mecanismo de reacción anterior, intente deducir la ecuación de velocidad de la reacción de oxidación del CO en la superficie del catalizador Ru (sin considerar la desorción de O2; ni la adsorción del producto CO2), y compararlo con los resultados experimentales.
⒊La función termodinámica de las sustancias relevantes (298,15 K) se muestra en la Tabla 5.
Tabla 5 Datos termodinámicos de sustancias
Sustancia ΔfHm /kJ?mol-1 Sm /J?K-1?mol-1
H2 (g) 0 130,59
O2(g) 0 205,03
H2O (g) -241,82 188,83
H2O (l) -285,84 69,94
A 373,15 K, 100 kPa, la entalpía de evaporación del agua Δvap Hm = 40,64 kJ?mol-1, y la capacidad calorífica isobárica del agua entre 298,15 y 373,15 K es 75,6 J?K-1?mol-1.
(1) Utilice el gas rico en hidrógeno obtenido mediante el proceso anterior como combustible de la pila de combustible de membrana de intercambio de protones.
La eficiencia teórica de una pila de combustible se refiere a la eficiencia del trabajo eléctrico máximo que la batería puede realizar en relación con el cambio de entalpía de la reacción del combustible. A 298,15 K, 100 kPa, cuando se quema 1 molH2 para generar H2O(l) y H2O(g) respectivamente, calcule la eficiencia teórica del funcionamiento de la pila de combustible y analice las razones de la diferencia entre las dos.
⑵ Si la pila de combustible funciona a 473,15 K y 100 kPa, ¿cuál es su eficiencia teórica (se pueden ignorar los cambios en el cambio de entalpía y el cambio de entalpía con la temperatura)?
⑶ Explica por qué la misma reacción en ⑴ y ⑵ tiene diferentes eficiencias teóricas.
Respuestas y criterios de puntuación
0,5 puntos por cada espacio en blanco de la primera pregunta (6 puntos)
La segunda pregunta (6 puntos)
⒉ Mayor que (0,5 puntos)
⒊Ecuación química:
⑴Verter cloro gaseoso en agua de mar ácida concentrada, Cl2+2Br-=2Cl-+Br2 (1 punto)
⑵ El aire comprimido expulsa el bromo y la solución alcalina lo absorbe:
3Br2+3CO32-=BrO3-+5Br-+3CO2 o 3Br2+6OH-= BrO3-+5Br-+3H2O (1 punto)
⑶Concentración⑷Acidificación BrO3-+5Br-+6H+=3Br2 ↑++3H2O (1 punto)
⑸Condensación: Br2(g)→Br2(l ) Diagrama de flujo:
(1 punto)
Pregunta 3 (6 puntos)
⒈Ecuación química: 2KMnO4+3H2SO4+5H2O2=2MnSO4+K2SO4+ 5O2+8H2O
2KI+2H2SO4+CH3COOOH=2KHSO4+ CH3COOH+H2O+I2
I2+2Na2S2O3=2NaI+Na2S4O6 (0,5 puntos cada uno)
⒉ Proceso de cálculo:
La fracción de masa de ácido peracético = 0,182
⒊Para evitar la reacción entre el ácido peracético y el permanganato de potasio. O: Para evitar la descomposición del ácido peracético para producir peróxido de hidrógeno que continúa reaccionando con el permanganato de potasio. (1 punto)
4. Se puede especular que el ácido peracético se descompondrá en una solución acuosa, por lo que el método de medición en sí no puede alcanzar una precisión de 4 cifras significativas. (1 punto)
⒌CH3COOOH CH3COOH+ O2 ↑ (1 punto)
Pregunta 4 (8 puntos)
3 puntos (0,5 puntos por el número de electrones, 1 punto por un juicio correcto del nivel de energía de transición, 1,5 puntos por un resultado de cálculo correcto)
Pregunta 5 (6 puntos)
⒈La estructura de la celda unitaria se muestra en la Figura 4. (2 puntos)
⒉La celda unitaria contiene 1 átomo de La
y 5 átomos de Ni (***1 punto)
⒊Proceso de cálculo:
Volumen de celda unitaria hexagonal:
V=a2csin120°=(5.11×10-8)2×3.97×10-8×31/2/2=89.7×10-24cm3 (1 punto)
Densidad del hidrógeno
2 puntos)
Es 1,87×103 veces la densidad del hidrógeno.
Pregunta 6 (7 puntos)
1 punto cada una
⒉Hay 23=8 isómeros ópticos (1 punto)
⒊Los más fórmula conformacional estable: (1 punto)
En la forma de silla, los tres sustituyentes deben estar todos en enlaces ecuatoriales (enlaces e), de los cuales el grupo hidrocarbonado en la posición 2 está en configuración S. El hidrocarburo. El grupo en la posición 3 está en configuración R.
4.
Pregunta 7 (9 puntos)
⒈Cada fórmula estructural de la A a la D vale 1 punto cada una, ***4 puntos.
⒉(***5 puntos)
Cada fórmula estructural de E a I vale 1 punto, ***5 puntos, I el reactivo de Grignard y el calentamiento valen cada uno 0,5 puntos
La octava pregunta (12 puntos) obtiene 36 puntos
⒈Ecuación química:
La ecuación de reacción química del cambio de vapor de metanol (reformado) es:
p>
CH3OH(g)+H2O(g)=CO2(g)+3H2(g) ⑴ (1 punto)
La ecuación de reacción química para la oxidación parcial del metanol es:
CH3OH(g)+ O 2 (g)=CO2(g)+2H2(g) ⑵ (1 punto)
Los dos procesos anteriores tienen las siguientes reacciones secundarias:
CO2(g)+H2(g)= CO(g)+H2O(g) ⑶ (1 punto)
Los efectos térmicos de las reacciones ⑴ y ⑵ son respectivamente:
ΔfHm ⑴=(-393.51+200.66+241.82)kJ?mol-1=48.97 kJ?mol-1 (1 punto)
ΔfHm ⑵=(-393.51+200.66)kJ?mol- 1=-192,85 kJ?mol-1 (1 punto)
Los resultados del cálculo termodinámico anterior muestran que la reacción ⑴ es endotérmica y necesita proporcionar una fuente de calor, lo cual es su desventaja: la reacción ⑴ tiene un alto contenido de H2; rendimiento, que es su ventaja. La reacción (2) genera calor y puede ser autosuficiente, lo cual es una ventaja; la reacción (2) tiene un bajo rendimiento y se diluirá con el N2 en el aire (generalmente a través del aire para el reformado oxidativo), por lo que la concentración de H2 en el El producto es relativamente bajo, este es su defecto. (2 puntos)
⒉⑴La velocidad de la reacción de oxidación del CO se puede expresar como: (4) (1 punto)
Tomando el logaritmo de ambos lados de la fórmula (4), tenemos tenemos
La pregunta Grafica los datos por separado y obtienes dos rectas, cuyas pendientes son:
α≈-1 (1 punto) β≈1 (1 punto)
Otra solución: pco permanece. Cuando es un valor fijo, se puede obtener un valor β sustituyendo dos conjuntos de datos experimentales (rco, pO2) en la ecuación (4). (4), se pueden obtener varios valores de β, el valor medio es β≈1 (si solo se calcula un valor de β, se restarán 0,5 puntos)
De la misma forma, manteniendo la pO2. a un valor constante, dos conjuntos de datos experimentales (rco, pco). Sustituyendo la ecuación ⑷, se puede obtener un valor α. Sustituyendo dos conjuntos de datos experimentales con diferentes combinaciones en la ecuación ⑷, se pueden obtener varios valores α y tomando. el valor promedio, obtenemos α≈-1 (si solo se calcula 1 valor α, resta 0.5 puntos)
Por lo tanto, la reacción es una reacción negativa de primer orden para CO y una reacción positiva de primer orden para O2, la ecuación de velocidad es: (1 punto)
⑵En la superficie del catalizador, la tasa de adsorción o desorción de cada sustancia es:
donde θv y θco son la fracción de vacantes en la superficie del catalizador y la fracción ocupada por moléculas de CO en la superficie del catalizador, respectivamente. Cuando la especie de superficie O-M alcanza el equilibrio y OC-M alcanza el equilibrio de adsorción, hay:
⑻ (2 puntos) ⑼ (1 punto)
Entonces, hay ⑽,
k es la constante de velocidad aparente de la reacción de oxidación del CO en el sitio activo Ru del catalizador.
Dado que el CO se adsorbe fuertemente en la superficie del catalizador, es decir, θco≈1, bajo esta aproximación, se obtiene de la fórmula ⑽: ⑾ (1 punto)
La ecuación de velocidad derivado anteriormente es el mismo que Los resultados experimentales son consistentes.
Otra solución: el CO y el O2 se adsorben en el sitio activo del catalizador Ru, y la reacción superficial entre el CO adsorbido y el O2 adsorbido es un paso de control de velocidad, y se puede derivar la siguiente fórmula :
(4 puntos)
K, kco, ko2 en la fórmula anterior son constantes que incluyen parámetros como kco, ads, ko2, ads, kco, des.
Según el significado de la pregunta, en la superficie de Ru, la adsorción de CO es mucho más fuerte que la adsorción de O2, entonces
ko2Po2≈0 (1 punto), kcoPco>>1 (1 punto)
Entonces la fórmula anterior se puede simplificar a la fórmula ⑾, es decir: rco=kPo2/Pco
Según la derivación anterior, los mismos puntos se dan.
⒊ ⑴H2(g)+ O2(g)→H2O(l) ⑴
El cambio de función termodinámica de la reacción anterior a 298,15 K es:
ΔrHm ⑴ = -285,84 kJ?mol-1 (1 punto)
ΔrSm ⑴=(69,94-130,59-205,03/2)J?K-1?mol-1=-163,17 J?K-1 ?mol -1 (1 punto)
ΔrGm ⑴=ΔrHm ⑴-TΔrSm ⑴
=(-285.84+298.15×163.17×10-3)kJ?mol-1=- 237,19 kJ ?mol-1 (1 punto)
La eficiencia teórica de la reacción de la pila de combustible ⑴ es: (1 punto)
H2(g)+ O2(g)→H2O( g) ⑵
El cambio de función termodinámica de la reacción (2) es: (1 punto)
La eficiencia teórica de la reacción de la pila de combustible (2) es: (1 punto)
Las dos reacciones No hay mucha diferencia entre ΔrGm ⑴ y ΔrGm ⑵, es decir, la energía eléctrica máxima que pueden producir es similar sin embargo, el cambio de entalpía ΔrHm ⑴ de estas dos reacciones es muy diferente de ΔrHm ⑵; , como sigue:
ΔΔH＝ΔrHm ⑵- ΔrHm ⑴=44.01 kJ?mol-1
La diferencia de cambio de entalpía anterior ΔΔH es exactamente aproximada al cambio de entalpía del proceso en la Figura 5:
Los resultados anteriores muestran que debido a la diferencia entre las dos reacciones de combustión, diferentes productos liberan diferente energía térmica (cambio de entalpía). Aunque la energía eléctrica máxima que pueden producir es similar, la eficiencia teórica de. sus pilas de combustible sigue siendo bastante diferente. (2 puntos)
⑵A 473,15 K, para la reacción ⑵, se tienen:
ΔrHm ⑵= -241,82 kJ?mol-1 (1 punto)
ΔrSm ⑵= -44.28J?K-1?mol-1 (1 punto)
ΔrGm ⑵=ΔrHm ⑵-TΔrSm ⑵=-220.88 kJ?mol-1 (1 punto)
∴η⑵=ΔrGm ⑵/ΔrHm ⑵=91,3% (1 punto)
⑶ Al comparar los resultados del cálculo de ⑴ y ⑵, se muestra que la eficiencia teórica de la pila de combustible cambia con su temperatura de funcionamiento. A medida que disminuye la temperatura, aumenta su eficiencia teórica. El ΔrGm de la reacción cambia con la temperatura, y el cambio de ΔrGm con la temperatura es causado principalmente por TΔrSm. (2 puntos)