1、化學(xué)奧林匹克 第 屆國際化學(xué)奧林匹克理論試題 第 屆國際化學(xué)奧林匹克于 年月 日在日本東京舉行，來自 個國家和地區(qū)共 名 學(xué)生參加了本屆競賽。我國派出了由人組成的代表隊(duì)參賽。代表隊(duì)成員為：選手王汝一 （ 南京師大附 中） 、上官湘航 （ 湖南長郡中學(xué)） 、周志堯 （ 湖北華中師大一附中） 、諸琪磊 （ 浙江杭州二中） ；領(lǐng)隊(duì)段連運(yùn) （ 北京大學(xué)） 、副領(lǐng)隊(duì)呂萍 （ 浙江大學(xué)） 、科學(xué)觀察員何巧紅 （ 浙江大學(xué)）和王穎霞 （ 北京大學(xué)） 。本屆競賽 設(shè)金牌 枚、銀牌 枚、銅牌 枚，我國名學(xué)生皆獲金牌，總成績?nèi)跃邮澜绲谝唬瞎傧婧綐s獲個 人總分第一。近 的金牌得主來自東亞。本屆競賽理論考試和實(shí)驗(yàn)考

2、試及相關(guān)考務(wù)工作分別依托于東 京大學(xué)和早稻田大學(xué)。從總體上看，本屆國際化學(xué)競賽試題偏易。茲將本屆競賽試題編譯后刊出，供讀者 參閱。 第題 （ 占總分的） 年 報道，由化學(xué)方法制得 的氮?dú)獾馁|(zhì)量與從空氣中提取的氮?dú)獾馁|(zhì)量不同， 如表和表所示。后來發(fā)現(xiàn)，這種差別源于 “ 空 氣氮”中存在氬氣。氣體質(zhì)量的測定是將其收集到 一 個 已 知 體 積 的 玻 璃 容 器 中， 在大 氣 壓 下 （ ）進(jìn)行的。 表 容器中 “ 化學(xué)氮”的質(zhì)量 源于一氧化氮 源于一氧化二氮 源于熱處理純化的亞硝酸銨 源于尿素 源于冷卻純化的亞硝酸銨 平均 表 容器中 “ 空氣氮”的質(zhì)量 用熾熱的銅除去（ ） 用熾熱的鐵除去（

3、 ） 用亞鐵水合物除去（ ） 平均 ）假定在 進(jìn)行測定，請根據(jù)純 “ 化學(xué) 氮”的 平 均 質(zhì) 量 計 算 所 用 容 器 的 體 積 。 ）估算 的 “ 空氣氮”中所含氬氣的 物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)（ 假定其中只含氮?dú)夂蜌鍤猓?。計 算過程中，“ 空氣氮”和 “ 化學(xué)氮”的質(zhì)量均采用 平均質(zhì)量。 年， 和 幾乎同時在釔鈾礦 （ 一種含氧化鈾以及鉛、釷和稀土氧化物的礦物； 也是一種含雜質(zhì)的瀝青鈾礦的變體）中獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了 氦。從這種礦物中得到的氣體在約 處顯示 一條獨(dú)特的譜線 （ 圖中標(biāo)為） 。 年發(fā)生日 全食時，這種譜線曾在日珥的光譜中觀察到，它和 眾所周知的鈉的雙黃線和離得很近。 圖 附近的光譜線 ）計

4、算圖所示的氦 線的光子能量 （ 單位 為 ） 。 圖示出氦的原子軌道能級圖。箭頭表示根據(jù) 光譜原理所 “ 允許”的躍遷。 圖 軌道填有電子的氦的原子軌道能級圖 化 學(xué) 教 育 年第 期 ）指出圖給出的 的躍遷中與 氦的 譜線對應(yīng)的躍遷。在答卷中標(biāo)出一個。 ）在下面?zhèn)€方程 （ ）中，哪 個可以解釋在釔鈾礦中產(chǎn)生氦？ 在水鋯石等礦物中也發(fā)現(xiàn)了氬氣。 ）在下列方程式 （ ）中，哪個可 以解釋在礦物中產(chǎn)生氬？ （ 電子俘獲 正電 子發(fā)射） 氦和氬是單原子分子的強(qiáng)有力證據(jù)之一是，其 恒壓熱容與恒體積熱容之比 （ ）準(zhǔn)確地等 于單原子分子的特征值（ ） 。這個比 值可以通過聲速 的測定根據(jù)下面給出的公式求

5、 出，式中和分別是聲波的頻率和波長，、和 分別是氣體常數(shù)、絕對溫度和摩爾質(zhì)量。 槡 對于一個未知的氣體樣品，在 及大 氣壓 （ ）下，頻 率 （ ）的聲波，其波長 。在此條 件下測得的氣體的密度為 。 ）計算該氣體的摩爾質(zhì)量 。 ）計算該氣體樣品的熱容比 ）該氣體是下列哪一種？ 第題 （ 占總分的） 堿金屬鹵化物的晶體結(jié)構(gòu)。在離子晶體中，陽 離子通常處在由陰離子密堆積形成的空隙中。當(dāng)陽 離子與最鄰近的陰離子相互接觸時，離子晶體 （ 如 氯化鈉）的結(jié)構(gòu)會變得穩(wěn)定。 ）在氯化鈉晶體中， 和 均形成面心 立方結(jié)構(gòu)。給出一個晶胞 （ 譯者注：正當(dāng)晶胞）中 和 的數(shù)目以及氯化鈉晶體中 和 的 配位數(shù)。

6、）氯化鈉晶體中， 和 的離子半徑分 別為 和 。計算氯化鈉晶體的密 度 。 循環(huán)與點(diǎn)陣能。在離子型無機(jī)化 合物如氯化鈉中，從氣態(tài)離子形成晶體時放出大量 熱，而 熵 的 變 化 貢 獻(xiàn) 較 小。 因 此， 可 以 利 用 循環(huán)通過焓變數(shù)據(jù)估算點(diǎn)陣能。 ）下圖給出 的 循環(huán)。符 號 “ ”和 “”分別表示 “ 氣態(tài)”和 “ 固態(tài)” 。給 出步驟 和的化學(xué)方程式。 ）用下面給出的上述 循環(huán)中各 步 的 焓 變 數(shù) 據(jù)， 計 算 晶 體 的 生 成 焓 。 （）的生成 （）的升華 （）的電離 （）的解離 （）得到電子 通過氨堿法 （ 法）合成碳酸鈉。碳酸 鈉 （ 無水蘇打）是制造玻璃、藥物、堿性洗滌劑

7、等 的原料。 ）氨堿法的總化學(xué)反應(yīng)可表示如下： 氯化鈉和碳酸鈣之間并不直接發(fā)生反應(yīng)。這個 過程涉及到氨，包括如下個反應(yīng)： 年第 期 化 學(xué) 教 育 式中表示加熱。在上述反應(yīng)中插入恰當(dāng)化合 物的化學(xué)式，寫在答卷中 的空格中。 第題 （ 占總分的） 化學(xué)需氧量 （ ， ） 是指樣品溶液中可氧化的物質(zhì) （ 如有機(jī)化合物）的 總量，它是海洋、湖泊和沼澤的水質(zhì)指標(biāo)。自來水 的 為 以下。 （ ）表示 樣品溶液用強(qiáng)氧化劑處理時，與所消耗的氧化劑接 受相同電子數(shù)的 的質(zhì)量 （ ） 。測定示例如下。 分析測定 樣品溶液用足量的硫 酸酸 化，加 入 硝酸銀溶 液 除去氯 離子。向該 樣品 溶 液 中 加 入 的

8、高錳酸鉀溶 液?；?合 液 加 熱 。 然 后， 加 入 的草酸鈉 （ ） 標(biāo)準(zhǔn) 溶 液， 充 分 攪 拌 混 合 溶 液。 再 用 的高錳酸鉀溶 液滴 定 未反應(yīng) 的 草 酸 根，消耗溶液 。 ）寫出高錳酸鉀和草酸鈉氧化還原反應(yīng)的方 程式。 ）計算的質(zhì)量 （ ） ，該量所能氧化的可 氧化 物 質(zhì) 的 物 質(zhì) 的 量 與 高錳酸鉀溶液氧化的可氧化物質(zhì)的物質(zhì) 的量相等。 ）從下面的選項(xiàng)中，選擇除去氯離子的最合 適理由： 氯離子與高錳酸鉀反應(yīng)，導(dǎo)致 的測 量誤差。 氯離子與草酸鈉反應(yīng)，導(dǎo)致 的測量 誤差。 氯離子與樣品溶液中的有機(jī)化合物反應(yīng)， 導(dǎo)致 的測量誤差。 滴定過程中產(chǎn)生顏色，導(dǎo)致 的測量

9、誤差。 ）根據(jù)上述分析測定，計算樣品溶液的 （ ） 。 第題 （ 占總分的） 日本研究開發(fā)了可充放電的鋰離子電池。該 電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢為 。設(shè)陰極的半反應(yīng)為： 陽極的半反應(yīng)為： ）寫出電池的總反應(yīng)方程式，并計算該反應(yīng) 的標(biāo)準(zhǔn) 能變 。 ）電池組裝中采用 和石墨 （）作電 極材料。如果起始所用 和石墨 （）的質(zhì) 量均為 ，計算在全充電狀態(tài)和全放電狀態(tài) 時陽極材料的質(zhì)量。 ）計算單位質(zhì)量的鋰離子電池可產(chǎn)生的最大 能量 。假設(shè)所用陰極和陽極材料的比例是 恰好可以完全反應(yīng)的比值，電極材料的總量占整個 電池質(zhì)量的 。作為比照，交通工具中使用的 鉛酸電池的能量密度為 。 ）由于不能采用水溶液作電解質(zhì)，鋰電

10、池中 用的是有機(jī)溶液。如果電解質(zhì)中含有水，給出所產(chǎn) 生氣體的化學(xué)式。 第題 （ 占總分的） 當(dāng)原子吸收能量高于其電離能的光子后， 它便被電離而形成離子 “” ，同時釋放出電子 （ 被稱為光電子） 。此過程的能量守恒關(guān)系示于圖 ，即光子能量 （ ）的電離能 （ ）光電 子動能 當(dāng)一個分子，例如，吸收短波長的光后， 產(chǎn)生光電子和具有各種振動態(tài)的 。光電子能譜 是光電子數(shù)與光電子動能的關(guān)系圖。 圖 光電子能譜原理示意圖 圖示出處于最低能級的 被能量為 的單色光照射時所產(chǎn)生的典型的光電子能譜。未檢 出動能高于 的光電子。電子伏特 是能 量單位， 約等于 。 ）確定（ ）和 （ ）之間 的能級差 （ ）

11、 ，小數(shù)點(diǎn)后保留一位數(shù)字。 和 分別是 和 的振動量子數(shù)。 ）確定 （ ）和 （ ）之 間的能級差 （ ），小數(shù)點(diǎn)后保留一位數(shù)字。 ）氫原子的電子能級可由下式計算 化 學(xué) 教 育 年第 期 圖 的光電子能譜 （ 入射光能量為 ） 強(qiáng)度用任意單位表示 （ ，） 式中，是主量子數(shù)， 是一個具有能量量 綱的常數(shù)。氫原子從到的能量差為 。計算氫原子的電離能（ ） ，小數(shù)點(diǎn) 后保留一位數(shù)字。 ）實(shí)驗(yàn)測定，由（）產(chǎn)生個激發(fā)態(tài) 氫原子（）所需最低能量為 。計 算的鍵能（ ） ，小數(shù)點(diǎn)后保留一位數(shù)字。 ）考慮能量循環(huán)，計算的鍵能（ ） ， 小數(shù)點(diǎn)后保留一位數(shù)字。 若前面未算出和，則取 ， 取 進(jìn)行計算。 ）計

12、算下列解離電離反應(yīng)的最低能量 （ ） ，小數(shù)點(diǎn)后保留一位數(shù)字。 （ ） 若你無和值，則取 、取 代入計算。 ）當(dāng) 吸收能量為 的單色光時，同 時發(fā)生下列解離反應(yīng) （）（） 個氫原子以相等的速率、相反的方向運(yùn)動。 計算上述反應(yīng)中產(chǎn)生的氫原子的速度（） 。假 定 是靜止的。若你未算出值，則取 代入計算。 第題 （ 占總分的） 個有機(jī)異構(gòu)體 、 和 ，其分子式均 為 ，并含有一個苯環(huán)。閱讀下列關(guān)于它們 性質(zhì)的描述，回答以下問題。如果有立體異構(gòu)，給 出所有的結(jié)構(gòu)式。注意：錯誤答案將被扣分。 （ ）室溫下，在裝有 、和的試管中分別 加入一小粒金屬鈉，只有放出氫氣。 將三氯化鐵水溶液分別加到 和 中， 不

13、變色，而 顯色。 向 中 （ ）加入高錳酸鉀水溶液并加熱， 發(fā)生氧化；酸化混合液并分離，得到苯甲酸。 想象一下， （ ）當(dāng)苯環(huán)上一個氫被氯取代 時，可以有種可能的單氯代構(gòu)造異構(gòu)體，只 有種可能的單氯代構(gòu)造異構(gòu)體。 催化氫化 和 的苯環(huán)，都生成飽和醇。 由得到的飽和醇 （ 一種或幾種）沒有不對稱碳 原子，由 得到的飽和醇 （ 一種或幾種）有不對 稱碳原子。 ）在所有含苯環(huán)的有機(jī)化合物 的異 構(gòu)體中，畫出那些根據(jù)步驟 （ ） ，不放出氫氣的所 有異構(gòu)體結(jié)構(gòu)式。液體樣品將直接加入一小粒金屬 鈉，固體樣品將被溶解在非質(zhì)子性溶劑中加入一小 粒金屬鈉進(jìn)行鑒定。 ）在所有含苯環(huán)的有機(jī)化合物 的異 構(gòu)體中，畫

14、出那些根據(jù)步驟 （ ） ，能生成苯甲酸的 所有構(gòu)造異構(gòu)體結(jié)構(gòu)式。 ）在含有苯環(huán)的有機(jī)化合物 的異構(gòu) 體中，畫出那些根據(jù)步驟 （ ） ，可能有種單氯代 產(chǎn)物的所有構(gòu)造異構(gòu)體結(jié)構(gòu)式。 ）分別畫出、和的結(jié)構(gòu)式。如果 幾種異構(gòu)體均有可能，請畫出所有結(jié)構(gòu)式。 第題 （ 占總分的） 有些河豚 （ 日語稱為 ）可以食用，但價 格很貴。因?yàn)楹与鄡?nèi)臟 （ 尤其是卵巢和肝）含有河 豚毒素 （ ） ，攝入一定量將導(dǎo)致食物中 毒。 世 紀(jì) 初已 有 有 關(guān)河豚 毒 素 （ ）的 研 究， 年，河豚毒素的結(jié)構(gòu)被確認(rèn)。 ）河豚毒素中的胍基具有強(qiáng)堿性，胍基質(zhì)子 化后的胍陽離子由于下列共振式的存在而得到穩(wěn) 定。畫出個共振式結(jié)構(gòu)和。 ）很多衍生化反應(yīng)用于河豚毒素的結(jié)構(gòu)研 究。將乙醇?xì)溲趸浥c河豚毒素 （ ）一起加熱， 得到喹唑啉 （ ）衍生物，它反映了河 年第 期 化 學(xué) 教 育 化 學(xué) 教 育 年第 期 年第 期 化 學(xué) 教 育 圖 含 的 和 （ ） 的 溶液的放大 譜 （ 中的信號） 與己基三甲基溴化銨 （ ）包絡(luò)過 程和 包絡(luò)過程的譜響應(yīng)不同。 圖給出 溶液的部分 譜 （ 中的信號） ，信號 只有個 三 重峰 （ 不是個三重峰） ，其化學(xué)位移取決于 的 濃度，從游離的 的化學(xué)位移到和溶液中與 包絡(luò)物含量成正比的 的化學(xué)位移。 游離 和與 結(jié)合的 中