奥赛真题物理化学解析.doc

1、北 京 清 北 学 堂 www.topschool.org奥赛真题物理化学精析-北京清北学堂第一题（1999年初赛第二题10分）A和B两种物质互相溶解的关系如图1所示，横坐标表示体系的总组成，纵坐标为温度，由下至上，温度逐渐升高。T1时a是B在A中的饱和溶液的组成，b是A在B中的饱和溶液的组成（T2时相应为c、d）。T3为临界温度，此时A和B完全互溶。图中曲线内为两相，曲线外为一相（不饱和液）。某些物质如H2O和(C2H5)3N，C3H5(OH)3和间-CH3C6H4NH2有低的临界温度（见示意图2）。请根据上述事实，回答下列问题： T3 T2 c d T1 a b 18.5 CA 100%

2、80% 60% 40% 20% 0% H2O (C2H5)3N 0% 20% 40% 60% 80% 100% B 图 1 图 22-1 解释图1中T3存在的原因。2-2 说明图2所示的两对物质存在低的临界温度的原因。2-3 描述图2所示的两对物质的互溶过程。解题思路 此题的信息是图形，可称为图形题。考察参赛者对用图传递的信息理解加工的能力。参赛者首先应抓住试题的主题两种溶剂的互溶性；然后要浮现中学化学中关于溶解性的一般性问题为什么有的溶剂能够互溶，有的却不能？其次要回忆中学化学中有关温度对溶解度影响的一般原理。若颠倒了思考的顺序，思路就会乱。中学化学有“相似者相溶”的说法，即分子间作用力的性

3、质相近大小也相近的溶剂会相互溶解。性质相近和大小相近也有个顺序。性质相近才能再考虑大小是否相近。性质不相近就不必再考虑大小是否相近。图1和2给出了溶解性与温度关系相反的信息，应归咎于两者分子间力性质不同。题面给出图2溶剂的实例，倒过来告诉我们图1的溶剂不具有这种性质，即表明图1是通例，图2是特例，因此参赛者需首先分析图2特例具有什么特殊的分子间作用力，于是就找到了解题的关键氢键。解析;2-1物质的溶解度通常随着温度的升高而增大，所以在一定的温度下，A和B两种物质能达到完全互溶。 （2分）2-2 某些物质如H2O和(C2H5)3N，C3H5(OH)3和间-CH3C6H4NH2存在低的临界温度的原

4、因是它们在较低温度能形成分子间氢键，然而，随着温度的升高，分子间氢键破裂，所以溶解度反而减小。 (4分) 2-3 (2分) (若画为1个H2O和2个(C2H5)3N分子形成氢键也给2分)(2分) (氢键位置不同、生成1、2、3个氢键或其它合理答案均给分)第二题（2000年初赛第二题6分）今年是勒沙特列（Le Chatelier18501936）诞生150周年。请用勒沙特列原理解释如下生活中的常见现象：打开冰镇啤酒瓶把啤酒倒入玻璃杯，杯中立即泛起大量泡沫。解析：（1）啤酒瓶中二氧化碳气体与啤酒中溶解的二氧化碳达到平衡：CO2(气)CO2(溶液)，打开啤酒瓶，二氧化碳气体的压力下降，根据勒沙特列原

5、理，平衡向放出二氧化碳气体的方向移动，以减弱气体压力下降对平衡的影响。（2）温度是保持平衡的条件，玻璃杯的温度比冰镇啤酒的温度高，根据勒沙特列原理，平衡应向减弱温度升高的方向移动，即应向吸热方向移动，从溶液中放出二氧化碳气体是吸热的，因而，应从溶液中放出二氧化碳气体。注：压力和温度各3分，不与勒沙特列原理挂钩不给分。第二题（2001年初赛第十二题11分）设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是对世纪最富有挑战性的课题之一。最近有人制造了一种燃料电池，一个电极通入空气，另一电极通入汽油蒸气，电池的电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体，它在高温下能传导O2离子。回答如下问题：121 以丁烷代表汽油，

6、这个电池放电时发生的化学反应的化学方程式是： 122 这个电池的正极发生的反应是： 负极发生的反应是： 固体电解质里的O2的移动方向是： 向外电路释放电子的电极是： 123 人们追求燃料电池氧化汽油而不在内燃机里燃烧汽油产生动力的主要原因是： 124 你认为在ZrO2晶体里掺杂Y2O3用Y3代替晶体里部分的Zr4对提高固体电解质的导电能力会起什么作用？其可能的原因是什么？答： 125 汽油燃料电池最大的障碍是氧化反应不完全产生 堵塞电极的气体通道，有人估计，完全避免这种副反应至少还需10年时间，正是新一代化学家的历史使命。解析：12-1 2C4H1013O28 CO210H2O (1分)(必须

7、配平; 所有系数除2等方程式均应按正确论。)12-2 O24e2 O2 (2分)(O2取其他系数且方程式配平也给满分。)C4H1013O2 26e4 CO25 H2O（2分）（系数加倍也满分。）向负极移动；（1分；答向阳极移动或向通入汽油蒸气的电极移动也得满分。）负极。（1分；答阳极或通入汽油蒸气的电极也得满分）12-3 燃料电池具有较高的能量利用率。（2分）（答内燃机能量利用率较低也满分；用热力学第二定律解释等，得分相同。）12-4 为维持电荷平衡, 晶体中的O2将减少(或导致O2缺陷)从而使O2得以在电场作用下向负极(阳极)移动 。(1分)（表述不限，要点是：掺杂晶体中的O2比纯ZrO2晶

8、体的少。）12-5 碳（或炭粒等） (1分)第三题（2002年初赛第九题8分）Xe和F2反应，可得三种氟化物，视反应条件而定。下图表述的是将0.125mol/L Xe和1.225mol/L F2为始态得到的生成物在平衡体系内的分压与反应温度的关系。1应在什么温度下制备XeF6和XeF4？2Xe和F2生成XeF6和XeF4，哪个反应放热更多？生成 的反应放热更多。理由：3为有效地制备XeF2，应在什么反应条件下为好？简述理由。【解析】1约550K 约850K（各1分）2XeF6 若Xe与F2生成XeF4的反应放热多，反应XeF4F2XeF6将是吸热反应，温度升高应有利于XeF6的生成，而由附图可

9、见，事实恰恰相反。（4分）（或答：反应XeF6XeF4F2发生在相对高的温度下；或答：上述正向反应是体积增大的反应，所以正向反应是吸热的）3在上图条件下必须在高温下才能制备XeF2, 但高温要求的技术问题太多，因而，应降低投料中F2/Xe的比值，可有效制备XeF2。（2分）第四题（2002年初赛第十题10分）某远洋船只的船壳浸水面积为4500m2，与锌块相连来保护，额定电流密度为150mA/m2，预定保护期限2年，可选择的锌块有两种，每块的质量分别为15.7kg和25.9kg，通过每块锌块的电流强度分别为0.92A和1.2A。计算说明，为达到上述保护船体的目的，最少各需几块锌块？用哪种锌块更合

10、理？为什么？【解析】首先算出通过体系的总电量： 2365d24h/d60min/h60s/min6.307107s（1分） 0.0150A/m24500m267.5A（1分）；67.5A6.307107s4.257109C （1分）；其次计算总共需要多少锌：电子的量为：4.257109C/9.65104C/mol4.411104mol（1分）；锌量：4.411104 mol65.4g/mol/2103kg/g1443kg1.44103 kg（1分）；需质量为15.7kg/块的锌块数为：1.44103kg/15.7 kg/块91.7块92块（1分）；92块0.92A/块85A67.5 A , 电

11、流强度可以达到要求。（1分）；25.9 kg/块：1.44103kg/25.9 kg/块55.6块56块（1分）；56块1.2A/块67.2A67.5A，电流强度达不到要求，应当加1块，则57块1.2 A/块68.4A，电流强度才能达到要求。（1分） 选用较重的锌块更合理，因其电流强度较小，理论上可以保证2年保护期限，而用较轻的锌块因其电流强度太大，不到2年就会消耗光。（1分）第五题（2002年初赛第十一题5分）镅（Am）是一种用途广泛的锕系元素。241Am的放射性强度是镭的3倍，在我国各地商场里常常可见到241Am骨密度测定仪，检测人体是否缺钙：用241Am制作的烟雾监测元件已广泛用于我国各

12、地建筑物的火警报警器（制作火警报警器的1片241Am我国批发价仅10元左右）。镅在酸性水溶液里的氧化态和标准电极电势（Ey/V）如下，图中2.62是Am4/Am3的标准电极电势，2.07是Am3/Am的标准电极电势，等等。一般而言，发生自发的氧化还原反应的条件是氧化剂的标准电极电势大于还原剂的标准电极电势。试判断金属镅溶于过量稀盐酸溶液后将以什么离子形态存在。简述理由。附：Ey (H/H2)0V；E(Cl2/Cl)1.36V；E(O2/H2O)1.23V。【解析】要点1：Ey(Amn/Am)0, 因此Am可与稀盐酸反应放出氢气转化为Amn，n2,3,4；但Ey(Am3/Am2)0，Am2一旦生

13、成可继续与H反应转化为Am3。（1分）（或答：Ey(Am3/Am)0，n3）要点2：Ey(Am4/Am3)Ey(AmO2/Am4), 因此一旦生成的Am4会自发歧化为AmO2和Am3。（2分）要点3：AmO2是强氧化剂，一旦生成足以将水氧化为O2, 或将Cl氧化为Cl2，转化为Am3, 也不能稳定存在。（1分）相反，AmO2是弱还原剂，在此条件下不能被氧化为AmO22。要点4：Am3不会发生歧化（原理同上），可稳定存在。（1分）结论：镅溶于稀盐酸得到的稳定形态为Am3。第六题（2003年初赛第五题6分） 下图是一种正在投入生产的大型蓄电系统。左右两侧为电解质储罐，中央为电池，电解质通过泵不断在

14、储罐和电池间循环；电池中的左右两侧为电极，中间为离子选择性膜，在电池放电和充电时该膜可允许钠离子通过；放电前，被膜隔开的电解质为Na2S2和NaBr3，放电后，分别变为Na2S4和NaBr。51 左、右储罐中的电解质分别为；52 写出电池充电时，阳极和阴极的电极反应。53 写出电池充、放电的反应方程式。54 指出在充电过程中钠离子通过膜的流向。【解析】：左 ：NaBr3/NaBr（1分；只写一种也可）右 : Na2S2/Na2S4 （1分；只写一种也可） 阳极：3NaBr 2e- = NaBr3 + 2Na+ (1分) 阴极：Na2S4+2Na+2e-=2Na2S2 (1分) (1分) Na+

15、 的流向为从左到右。（1分） 第六题（2004年初赛第三题6分）某实验测出人类呼吸中各种气体的分压/Pa如下表所示：气体吸入气体呼出气体79274758482132815463403732667626531 请将各种气体的分子式填入上表。32 指出表中第一种和第二种呼出气体的分压小于吸入气体分压的主要原因。【解析】： 气体吸入气体呼出气体N27927475848O22132815463CO2403732H2O6676265 （每空1分，共4分） 呼出气中的N2的分压小于吸入气中的分压的主要原因是呼出气中的CO2和水蒸气有较大分压，总压不变，因而N2的摩尔分数下降（1分）；呼出气中的O2的分压小

16、于吸入气中的分压的主要原因是吸入的O2被人体消耗了。 （1分） （共2分）第七题（2005年初赛第二题12分）为纪念1905年爱因斯坦连续发表6篇论文导致物理学大变革100周年，今年被定为国际物理年。本题涉及的“热电效应”机理也是爱因斯坦首先阐释的，即他提出的被后人称为“爱因斯坦振荡器”的独立振荡原子与温度关系的模型。 2-1 左上图是热电效应之一的图解。给出图中所有英文单词（或词组）及物理学符号的意义，并为此图写一篇不超过200字（包括标点符号等）的说明文。input 输入 hot 热（端） cold 冷（端） heat flow 热流I 电流强度 n n型半导体 p p型半导体 i+ 正电

17、流 (各0.25分)向热电材料构成的半导体的n-p结的远端输入外电流，半导体发生空穴导电，电流流经n-p结时发生复合，外电流输入的能量转化为热流，使n-p结的温度越来越低，而其远端的温度越来越高，即有类似冰箱制冷的效应。 (4分)2-2 右上图是化学家合成的能实现热电效应的一种晶体的晶胞模型。图中的大原子是稀土原子，如镧；小原子是周期系第五主族元素，如锑；中等大小的原子是周期系VIII 族元素，如铁。按如上结构图写出这种热电晶体的化学式。给出计算过程。提示：晶胞的6个面的原子数相同。设晶体中锑的氧化态为1，镧的氧化态为+3，问：铁的平均氧化态多大？ 化学式 LaFe4Sb12（2分）（写La2

18、Fe8Sb24 扣1分）铁的氧化态 9/4 = 2.25 （1分） 计算化学式的过程如下：晶胞里有2个La原子（处于晶胞的顶角和体心）；有8个Fe原子（处于锑形成的八面体的中心）；锑八面体是共顶角相连的，平均每个八面体有6/23个锑原子，晶胞中共有8个八面体，8x3=24个锑原子；即：La2Fe8Sb24。其他合理过程也可。（3分）第八题（2006年初赛第十二题10分) 有人设计了如下甲醇(methanol) 合成工艺： 其中，为甲烷气源，压强250.0kPa，温度25oC，流速55.0 m3s-1。为水蒸气源，压强200.0kPa,温度150oC，流速150.0 m3s-1。合成气和剩余反应

19、物的混合物经管路进入25oC的冷凝器(condenser)，冷凝物由管路流出。在B中合成的甲醇和剩余反应物的混合物经进入25oC的冷凝器，甲醇冷凝后经管路流出，其密度为0.791gmL-1。12-1. 分别写出在步骤A和步骤B中所发生的化学反应的方程式。 CH4(g)H2O(g)CO(g)3H2(g) (1分)CO(g)2H2(g)CH3OH(g) (1分)12-2. 假定：所有气体皆为理想气体，在步骤A和B中完全转化，气液在冷凝器中完全分离，计算经步骤A和步骤B后，在一秒钟内剩余物的量。 n(CH4)(250.010355.0)(8.314298) 5.55103(mol) n H2O(g)

20、(200.0103150.0)(8.314423) 8.53103(mol)经步骤A后在中过量的H2O(g)(8.531035.55103) mol 2.98103 mol (1 分) 在步骤A中生成的CO和H2的摩尔比为1:3，而在步骤B中消耗的CO和H2的摩尔比为1:2，故经步骤B后剩余的H2为5.55103mol (1 分) 12-3. 实际上，在步骤B中CO的转化率只有三分之二。计算在管路中CO、H2和CH3OH的分压（总压强为10.0 MPa）。nT n(CO)n(H2)n(CH3OH) 5.551031/3(16.651035.551032/32) 5.551032/3mol 14

21、.8103mol (1 分)p(i) pTninT总 p(CO) 10.0 MPa(5.551031/314.8103) 0.125 MPa (1分)p(H2) 10.0 MPa(9.2510314.8103) 0.625 MPa ( 1分)p(CH3OH) 10.0 MPa(5.551032/314.8103) 0.250 MPa ( 1分)12-4. 当甲醇反应器足够大，反应达到平衡，管路中的各气体的分压服从方程 式中p0=0.100 MPa, 计算平衡常数Kp。 Kp0.250(0.100)2(0.1250.6252) 5.1210-2 ( 2分)第九题 （8分） 下面四张图是用计算机制

22、作的在密闭容器里，在不同条件下进行的异构化反应 XY 的进程图解。图中的“ ”是X，“ ”是Y。 A B C D3-1 图中的纵坐标表示 （填入物理量，下同）；横坐标表示 。3-2 平衡常数K最小的图是 。3-3 平衡常数K最大的图是 。3-4 平衡常数K=1的图是 。答案：3-1 A和B的摩尔百分数（或答：物质的量的分数或物质的量的百分数）； 时间，分（或答：以分为单位的反应进程） (2分) 3-2A (2分) 3-3B (2分) 3-4C (2分)第十题（2007年初赛第六题12分）在给定实验条件下，一元弱酸HA在苯（B）和水（W）的分配系数KD=HAB/HAW=1.00。已知水相和苯相中

23、HA的分析浓度分别为3.0510-3 和3.9610-3 molL-1。在水中，HA按HAH+A-解离，Ka=1.0010-4；在苯中，HA发生二聚：2HA（HA）2。6-1 计算水相中各物种的浓度及pH。 6-2 计算化合物HA在苯相中的二聚平衡常数。6-3 已知HA中有苯环，1.00gHA含3.851021个分子，给出HA的化学名称。6-4 解释HA在苯中发生二聚的原因，画出二聚体的结构。【解析】6-1（4 分）HA 在水中存在如下电离平衡：HA = H+A Ka =1.0010-4据题意，得如下 3 个关系式：HAA3.0510-3molL-1 H+ AHA1.0010-4 H+AH+5

24、.0510-4 molL-1 三式联立，解得：AH+5.0510-4 molL-1， HA2.5510-3 molL-1， OH- 1.9810-11 molL-1， pHlogH+3.297 = 3.30 计算过程合理得 1.5 分；每个物种的浓度 0.5 分；pH 0.5 分。6-2（4 分）HA 的二聚反应为： 2HA = (HA)2平衡常数 Kdim=(HA)2/ HA2 苯相中，HA 的分析浓度为 2(HA)2HAB3.9610-3 molL-1 根据苯-水分配常数 KD=HAB/HAW=1.00得HABHAW2.5510-3 molL-1(HA)27.0510-4 molL-1Kd

25、im=(HA)2/ HA2=7.0510-4(2.5510-3)21.08102计算过程合理得 2 分；单体及二聚体浓度正确各得 0.5 分；平衡常数正确得 1 分(带不带单位不影响得分)。6-3（2 分）HA 的摩尔质量为(1.006.021023)/(3.851021)156 (g/mol)，根据所给信息，推断 HA 是氯代苯甲酸。15677(C6H5)45(羧基)=34，苯环上可能有氯，于是有 15676(C6H4)45(羧基)=35，因此 HA 是氯代苯甲酸。推算合理和结论各 1 分。6-4（2 分）在苯中，氯代苯甲酸相互作用形成分子间氢键；二聚体结构如下：原因与结构各 1 分。第十一

26、题（2007年初赛第七题8分）KClO3热分解是实验室制取氧气的一种方法。KClO3在不同的条件下热分解结果如下： 实验反应体系第一放热温度/第二放热温度/AKClO3400480BKClO3+Fe2O3360390CKClO3+MnO2350已知K(s)+1/2Cl2(g)=KCl(s) H(1)=-437 kJmol-1K(s)+1/2Cl2+3/2O2(g)= KClO3(s) H(2)=-398 kJmol-1K(s)+1/2Cl2+2O2(g)= KClO4(s) H(3)=-433 kJmol-17-1 根据以上数据，写出上述三个体系对应的分解过程的热化学方程式。7-2 用写MnO2催化KClO3分解制得的氧气有轻微