一道中國化學奧林匹克競賽題

2021-01-12 初中化學大師

為了深入了解中國化學奧林匹克,下面跟著我一起來分析下第33屆中國化學奧林匹克(決賽)理論題第一題。(15分)

圖1.1 示出了一種結構有趣的「糖葫蘆」分子。其中A、B、C和D四種元素位於同一主族的相鄰周期,B的電負性大於D。C可分別與A、B、D形成二元化合物。C和E可形成易揮發的的化合物CE3,CE3在工業上可用於漂白和殺菌。A和E可形成化合物AE3(bq. 76 ℃)。AE3的完全水解產物之一X是塑料件鍍金屬的常用還原劑。A、C和E可形成含有六元環的化合物A3C3E6。在氯仿中,D和E可結合兩個甲基形成化合物DE3Me2。

圖1-1

1-1 寫出A、B、C、D和E所代表的元素。1-2 寫出「糖葫蘆」分子中A和C的雜化軌道。1-3 畫出處於最高氧化態A與元素E組成的分子的結構圖,寫出該分子中的對稱元素(具體類型)。

1-4 畫出DE3Me2的所有可能的立體異構體。

1-5 指出X屬於幾元酸,寫出弱酸介質中硫酸鎳被其還原的反應方程式。

聯合國宣布2019年為國際元素周期表年,為了慶祝俄國化學家迪米特裡·門捷列夫(Dimitri Mendeleev)排列的元素周期表150 周年。因而,這次競賽理論題以元素推斷題開啟。

答案與解析「84消毒液」是工業以及生活中非常常見的高效消毒劑,其主要成分為次氯酸鈉(NaClO),NaClO本身沒有消毒效果,是因為水解可以產生有消毒效果的HClO(次氯酸)。HClO是一種極弱的酸,但是具有極強的氧化性,可以將物質氧化,使其變性,從而達到消毒的作用。其水解原理如下:

NaClO+H2O→NaOH+HClO

空氣中的二氧化碳(CO2)也可以參與到該反應中:

NaClO+CO2+H2O→NaHCO3+HClO

根據這個,我們題目中CE3在工業中用於消毒和殺菌,則說明有HClO的產生,可以推斷出有Cl元素,為E。CE3在工業上可用於漂白和殺菌,我們可以推斷CE3為NCl3,可以推斷C為N元素。NCl3為黃色、油狀、具有刺激性氣味和揮發性的液體,化學性質活潑,易水解生成胺和強氧化劑HClO其原理為:

NCl3+3H2O→NH3↑+3HClO

生成的NH3又被會HClO氧化生成N2,故總反應式為:

2NCl3+3H2O→N2↑+3HCl+3HClO

化學鍍鎳是化學鍍中發展最快的一種。鍍液一般以硫酸鎳、乙酸鎳等為主鹽,亞磷酸、硼氫化鈉、硼烷、肼等為還原劑,在添加各種助劑,在90℃的酸性溶液中或者接近常溫的中性溶液、鹼性溶液中進行化學反應。依據還原劑的不同可以分成化學鍍鎳-磷、化學鍍鎳-硼兩大類。鍍層在均勻性、耐腐蝕性、硬度、可焊性、磁性以及裝飾性上都顯示出優越性能。其原理為:在催化劑(常用Fe)的催作用下,溶液中的次亞磷酸根在催化表面催化脫氫,形成活性氫化物,並被氧化成亞磷酸根;活性氫化物與溶液中的鎳離子進行還原反應而沉積Ni。

2H2PO2–+2H2O+Ni2+→Ni↓+H2↑+4H++2HPO32–

與此同時,溶液中的部分次亞磷酸根被氫化物還原成單質磷進入鍍層。即:

H2PO22–+H+→P+H2O+OH–

所形成的化學鍍層是Ni–P合金,呈非晶態簿片結構。

A、B、C和D四種元素位於同一主族相鄰周期,可以得知為第五主族VA,根據電負性大小依次為N、P、As、Sb、Bi。由此可以推斷A為P元素,PCl3 (三氯化磷)是無色澄清的發煙液體,沸點76℃,做為催化劑、磷的溶劑以及氯化劑廣泛用於用於農藥、醫藥、染料工業等領域。PCl3 露於潮溼空氣中,完全水解成亞磷酸和氯化氫,其原理為:

PCl3+3H2O→3HCl+H3PO3

B的電負性大於D,又處於同一主族相鄰周期,因而最終可以推斷出B為As,D為Sb。

1-1 根據以上分析,A為P,B為As,C為N, D為Sb, E為Cl。(各1分)

1-2 A為sp2雜化,C為sp3雜化。(各1分)

雜化軌道的類型和分子空間構型是緊密相關的。sp雜化為線性分子,比如乙炔和二氧化碳,sp2雜化為三角平面型,比如三氟化硼和乙烯,sp3雜化則為正四面體,比如甲烷等。根據「糖葫蘆」的分子結構,我們可以推斷出A為sp2雜化,C為sp3雜化。

1-3 PCl5

4個鏡面,1個三次旋轉軸和3個兩次旋轉軸。(每正確答對一個對稱元素的類型得1分)

1-4 DE3Me2得分子式為: SbCl3Me2

(每寫對一個為0.5分,共1.5分)

1-5 X為H3PO3 二元酸(1分)

亞磷酸的結構式中只有―OH中得氫可以電離,因而為二元酸。其方程式:

NiSO4+H3PO3+H2O→Ni+H3PO4+H2SO4

(寫對化學反應方程式得1.5分,寫成離子反應方程式不得分)

可以看出,中國化學奧林匹競賽理論題都是綜合分析題,每題涵蓋的知識點非常豐富、全面。這就需要同學們平時多積累有關化學方面的知識以及常識。題目到這就全部分析解答完了。不知道大家看了這道題目,對照公布的題目分析與答案,能得幾分?那些參加冬令營的「大神」們很多都是滿分!

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