광동화학회 후원
2004년 전국 고등학생 화학경시대회 결승전
이론적 질문과 답변
첫 번째 질문(6점) ) Table 1에서 해당 물질의 문자코드(A~H)를 선택하여 해당 제목(1~8) 뒤의 괄호(단독)에 채우고, 필요에 따라 빈칸을 채워 넣는다.
표 1 문자로 표현되는 물질
A B C D E F G H
NO2+ NO N2O3 N2H4 NH3 N2O4 H2N2O2 NH2OH
① ( )는 평면형이 아니다 분자 및 그 파생물은 고에너지 연료로 사용됩니다.
②( ) 두 개의 이성체가 있고, 하나의 이성체의 구조는 이다.
③( )은 선형 구조를 가지며, 루이스 구조식에서 각 결합의 결합 수준은 2.0이다.
④ ( )는 무색의 평면형 분자로, 등전자체 중 하나가 이다.
⑤ ( ) 산성이면서 알칼리성이므로 냉매로 사용할 수 있다.
⑥( ) 산성이면서 알칼리성이며 산화제이자 환원제이며 주로 약제로 사용됩니다.
⑦( )은 상자성 분자이다.
8( )수용액은 분해되어 N20을 생성하며 반응식은 입니다.
질문 2 (6점) 그림 1은 원소의 △fGm /F-Z 다이어그램입니다. 이는 원소의 다양한 산화 상태 Z와 해당 종의 △fGm /F를 기반으로 합니다. 열역학적 표준 상태 pH = 0 또는 pH == 14 플롯. 그림에서 임의의 두 종을 연결하는 선의 기울기는 해당 전기쌍의 표준 전극 전위 ψA 또는 ψB와 수치적으로 동일합니다. A와 B는 각각 pH=0(실선)과 pH=14(점선)을 나타냅니다.
위 그림의 각 종별 △fGm /F 값은 표 2와 같다.
표 2 △각 물질의 fGm /F
A X- X2 HXO HXO2 XO3- XO4-
F -3.06 0 / / / /
p>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 위 표에 제공된 데이터를 사용하여 계산합니다. ψA (IO3-/I-) ψB (IO3- /I-) ψA (ClO4-/HClO2)
⒉위 정보를 바탕으로 답하십시오. 동일한 산화 상태에 있는 할로겐의 경우 산화 능력은 다음과 같습니다. 옥시산이 옥시산보다 크거나 같거나 작습니까?
⒊염수는 자연계에서 주로 바닷물에 존재하며, 바닷물 1톤당 약 0.14kg의 브롬이 함유되어 있습니다. Br2의 끓는점은 58.78°C이고 물에 대한 브롬의 용해도는 3.58g/100g H2O(20°C)입니다. 이 질문의 정보를 사용하여 바닷물에서 Br2를 추출하는 방법을 설명하고, 해당 화학 반응식을 작성하고, 블록 다이어그램을 사용하여 과정을 표현합니다.
질문 3 (6점) 과아세트산은 과산화수소와 아세트산을 반응시켜 생성할 수 있는 광범위한 소독제입니다. 아세트산과 과산화수소의 농도를 조절하면 다양한 농도의 과산화물을 얻을 수 있습니다. .아세트산.
과초산 함량 분석 방법은 다음과 같다.
과초산 시료 0.5027g을 정밀하게 달아 40mLH2O와 5mol·3mol이 들어 있는 미리 채워진 용기에 넣는다. /L
p>
5°C로 식힌 요오드 메스플라스크에 H2SO4 용액과 1 mol/L MnSO4 용액 2~3방울을 넣고 잘 흔들어 섞은 후 다음의 용액으로 적정한다. 0.02366 mol/L KMnO4 표준 용액을 용액이 밝은 분홍색으로 변할 때까지(30초 동안 퇴색하지 않음) 12.49mL를 소모한 다음 20% KI 용액 10mL와 (NH4)2MoO4 용액 2~3방울을 추가합니다. 촉매를 첨가하여 액의 색을 감소시킨다) 가볍게 흔들어 마개를 하여 어두운 곳에 보관한다. 5~10분간 방치한 후 0.1018 mol/L Na2S2O3 표준용액으로 적정하고, 용기에 접근하면 0.5% 전분지시약 3 mL를 첨가한다. 종말점이 되면 파란색이 사라질 때까지 계속 적정하고 다시 착색되지 않고 30초간 유지하면 Na2S2O3가 23.61mL 소모된다.
⒈측정과 관련된 화학반응식을 작성하세요.
⒉ 과아세트산의 질량 분율을 계산하세요(유효 숫자 3개가 필요합니다. 과아세트산의 몰 질량은 76.05g/mol입니다).
⒊이 방법의 KMnO4 적정은 기존 방법과 다릅니다. 이유는 무엇입니까?
⒋ 이 방법의 실험 결과가 유효 숫자 3자리에만 도달하는 이유를 간략하게 설명하십시오.
⒌과아세트산은 불안정하고 열분해되기 쉽습니다. 열분해 반응식을 쓰시오.
질문 4(8점) 일본의 시라카와 히데키는 1977년 처음으로 금속광택을 지닌 폴리아세틸렌 필름을 합성해 전도성이 있다는 사실을 발견했다. 이것은 세계 최초의 전도성 고분자입니다. 연구진은 이 연구로 2000년 노벨 화학상을 수상했습니다.
⒈폴리아세틸렌 분자의 시스 및 트랜스 배열을 작성하세요.
⒉ 폴리아세틸렌 분자를 1차원 결정으로 본다면 결정의 구조 단위를 지적하세요.
⒊9개의 아세틸렌 분자로 중합된 폴리아세틸렌이 있다고 가정합니다. 폴리아세틸렌 분자의 평균 탄소-탄소 결합 길이는 140pm입니다. 위의 선형 폴리아세틸렌 분자가 머리에서 꼬리까지 연결되어 거대고리 아눌렌 분자를 형성한다면, 분자의 구조를 그려주세요. 고리에서 움직이는 π 전자의 에너지는 다음 공식으로 구할 수 있습니다. 여기서 h는 플랑크 상수(6.626 × 10-34J?s)이고, me는 전자 질량(9.109 × 10-31kg)이며, l은 고리의 길이입니다. 매크로링의 주변, 양자수 n=0, ±1, ±2,... 전자가 바닥 상태에서 첫 번째 들뜬 상태로 전이하기 위해 흡수해야 하는 빛의 파장을 계산합니다.
질문 5(6점) 수소는 중요하고 깨끗한 에너지원입니다. 수소를 에너지로 사용하려면 안전하고 효과적인 수소 저장 문제를 해결해야 합니다. 화학자들은 수소를 저장하기 위해 합금을 사용하는 방법을 개발했습니다. LaNi5는 수소 저장 물질입니다. LaNi5의 결정 구조는 육각형 결정 시스템에 속하며, 단위 셀 매개변수는 a=511pm 및 c=397pm입니다. 결정 구조는 그림 2에 나와 있습니다.
⒈LaNi5 결정 구조도에서 LaNi5 단위 셀을 그려보세요.
⒉각 단위 셀에는 몇 개의 La 원자와 Ni 원자가 포함되어 있나요?
⒊LaNi5 단위 셀에는 3개의 팔면체 간격과 6개의 사면체 간격이 있습니다. 각 간격에 1개의 H 원자가 채워져 있으면 수소 저장 물질이 수소를 흡수한 후의 밀도는 몇 배입니까? 표준 조건에서 수소의 밀도(8.987× 10-5 g?m-3)는 무엇입니까? (수소의 상대 원자 질량은 1.008이고, 빛의 속도 c는 2.998×108mΩs-1입니다. 수소를 흡수하기 전과 후의 단위 셀의 부피 변화는 무시합니다).
질문 6 (7점) 지구 표면의 70% 이상이 바다이며, 지구상 생물종의 약 95%가 바다에 서식하고 있음을 알 수 있습니다. 자원은 개발이 필요한 천연 자원입니다.
생리활성 유기화합물 A는 특정 해양미생물로부터 분리한 것으로 질량분석법과 원소분석을 통해 A의 화학식을 분석한 결과 C15H28O4로 밝혀졌다. 벤젠 용액에서 A는 동일한 양의 Pb(OAc)4와 반응할 수 있으며 생성물은 산 가수분해되어 글리옥실산과 다른 화합물 B를 얻습니다. B는 가열하면 물 한 분자를 잃어 화합물 C를 얻습니다. C와 KMnO4 용액을 결합하여 옥살산과 운데칸산을 얻습니다.
⒈화합물 A, B, C의 구조식을 적어주세요.
⒉A의 광학 이성질체는 몇 개나 존재할 수 있나요?
⒊화합물 B는 S 배열로 측정되었습니다. 화합물 A의 가장 안정적인 구조식을 적어주세요.
⒋A와 D-만노스의 3-수산기로 형성된 α-모노글리코사이드의 구조식을 쓰십시오. D-만노스의 구조식은 다음과 같다:
질문 7(9점)
⒈다음 반응식에 A부터 D까지의 구조식을 쓰시오:
< p>힌트 : 약물 합성에서는 다음과 같은 반응이 흔히 나타납니다:⒉E~I의 구조식을 다음 반응식에 쓰세요:
질문 8 (12점) 차량 탑재 메탄올 양성자 교환막 연료전지(PEMFC에서 메탄올 증기를 수소로 전환하는 두 가지 공정이 있습니다: (1) 수증기 이동(개질) 방법; (2) 공기 산화 방법. 두 공정 모두 부산물로 CO를 생성합니다.
⒈이 두 공정의 화학반응식을 각각 쓰고, 계산을 통해 두 공정의 장단점을 설명하시오.
관련 정보(298.15K)는 표 3에 나열되어 있습니다.
표 3 물질의 열역학적 데이터
물질 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
< p>H2 (g) 0 130.59⒉ 위 두 공정에서 생성된 소량의 CO는 연료전지 내 Pt나 기타 귀금속 촉매 표면에 흡착되어 흡착 및 전기분해를 방해하게 됩니다. - H2의 산화로 인해 연료전지의 방전성능이 급격히 떨어지게 되므로 CO를 제거하는 방법이 개발되었다. 기존 실험 결과 세트(500K)가 표 4에 나와 있습니다.
표에서 PCO와 PO2는 각각 CO와 O2의 분압이고, rco는 초당 촉매의 각 Ru 활성 부위에서 소비되는 CO 분자 수로 표현되는 CO의 산화 속도입니다.
⑴ CO와 O2 각각에 대해 촉매 Ru에서 CO 산화 반응의 반응 차수(정수를 취함)를 구하고 반응식을 쓰십시오.
⑵ 고체 Ru의 표면에는 기체 분자를 흡착하는 능력이 있지만 기체 분자는 빈 활성 부위를 만날 때만 흡착될 수 있습니다. 흡착된 분자의 열 운동의 운동 에너지가 고체 중력장의 장벽을 극복하기에 충분할 때, 흡착된 분자는 탈착되어 기체 상태로 돌아갈 수 있습니다. CO와 O2의 흡탈착이 서로 영향을 미치지 않고 표면이 균일하다고 가정할 때, θ는 가스 분자가 활성 부위(커버리지)를 덮고 있는 비율을 나타내며, 가스 흡착률은 가스의 압력에 비례합니다. , 또한 고체 표면은 빈 활성 숫자의 수에 비례합니다.
연구에서는 Ru에 대한 CO의 산화 반응 메커니즘을 다음과 같이 제안합니다.
그 중 kco,ads,kco,des는 활성 부위에 대한 CO의 흡착 속도 상수입니다. Ru의 탈착 속도 상수, ko2,ads는 Ru의 활성 부위에 대한 O2의 흡착 속도 상수입니다. M은 Ru 촉매 표면의 활성 사이트를 나타냅니다. Ru 표면 활성 부위에서의 CO 흡착은 O2 흡착보다 훨씬 강력합니다.
위의 반응 메커니즘을 바탕으로 (O2의 탈착이나 생성물인 CO2의 흡착을 고려하지 않고) 촉매 Ru 표면에서의 CO 산화 반응의 속도식을 추론해 보고, 실험 결과와 비교해 보세요.
⒊해당 물질(298.15K)의 열역학적 기능은 표 5와 같습니다.
표 5 물질의 열역학적 데이터
물질 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
373.15K, 100kPa에서 물의 증발 엔탈피 Δvap Hm =40.64kJ·mol-1이고, 298.15~373.15K 사이의 물의 등압 열용량은 75.6 J·K-1·mol-1입니다.
(1) 위의 과정을 통해 얻은 수소가 풍부한 가스를 양성자교환막 연료전지의 연료로 사용한다.
연료전지의 이론적 효율은 연료 반응의 엔탈피 변화에 비해 배터리가 할 수 있는 최대 전기적 일의 효율을 의미합니다. 298.15K, 100 kPa에서 1 molH2를 연소하여 각각 H2O(l)과 H2O(g)를 생성할 때 연료전지 작동의 이론적 효율을 계산하고 둘 사이의 차이가 발생하는 이유를 분석하라.
⑵ 연료전지가 473.15 K, 100 kPa에서 작동한다면 이론적인 효율은 얼마입니까(온도에 따른 엔탈피 변화와 엔탈피 변화는 무시할 수 있음)?
⑶ ⑴과 ⑵의 동일한 반응이 왜 이론적 효율성이 다른지 설명하십시오.
답변 및 채점 기준
첫 번째 질문의 빈칸당 0.5점(6점)
두 번째 질문(6점)
< p> ⒉ 초과 (0.5 포인트)⒊화학 방정식:
⑴농축 산성 해수, Cl2+2Br-=2Cl-+Br2에 염소 가스를 붓습니다(1 포인트)< /p >
⑵ 압축 공기는 브롬을 불어내고 알칼리 용액은 브롬을 흡수합니다.
3Br2+3CO32-=BrO3-+5Br-+3CO2 또는 3Br2+6OH-= BrO3-+5Br-+3H2O (1점)
⑶농도⑷산성화 BrO3-+5Br-+6H+=3Br2↑++3H2O (1점)
⑸축합: Br2(g)→Br2(l ) 흐름도:
(1점)
질문 3(6점)
⒈화학식: 2KMnO4+3H2SO4+5H2O2=2MnSO4+K2SO4+ 5O2+8H2O
2KI+2H2SO4+CH3COOOH=2KHSO4+ CH3COOH+H2O+I2
I2+2Na2S2O3=2NaI+Na2S4O6 (각 0.5 포인트)
⒉ 계산 과정:
< p>과아세트산의 질량 분율 = 0.182⒊과아세트산과 과망간산칼륨 사이의 반응을 피하기 위해. 또는: 과망간산 칼륨과 계속 반응하는 과산화수소를 생성하기 위해 과아세트산이 분해되는 것을 방지합니다. (1점)
4. 과아세트산은 수용액에서 분해될 것이라고 추측할 수 있으므로 측정 방법 자체로는 유효 숫자 4자리의 정확도를 달성할 수 없습니다. (1점)
⒌CH3COOOH CH3COOH+ O2↑ (1점)
질문 4 (8점)
3점 (전자수 0.5점, 전이 에너지 준위를 정확하게 판단하려면 1점, 계산 결과가 정확하면 1.5점)
질문 5(6점)
⒈단위 셀 구조는 그림 4와 같습니다. (2점)
⒉단위 셀에는 La 원자 1개와 Ni 원자 5개가 포함되어 있습니다(***1점)
⒊계산 과정:
육각형 단위 셀 부피:
V=a2csin120°=(5.11×10-8)2×3.97×10-8×31/2/2=89.7×10-24cm3(1포인트)
수소밀도
2점)
수소밀도의 1.87×103배이다.
질문 6(7점)
각 1점
⒉광학 이성질체가 23=8개 있습니다(1점)
⒊가장 많음 안정한 구조식: (1점)
의자 형태로 표현하면 3개의 치환기가 모두 적도 결합(e 결합)에 있어야 하며, 그 중 2번 위치의 탄화수소기가 S 배열로 되어 있어야 합니다. 위치 3의 그룹은 R 구성에 있습니다.
4.
질문 7(9점)
⒈A부터 D까지의 각 구조식은 각각 1점, ***4점의 가치가 있습니다.
⒉(***5점)
E에서 I까지의 각 구조식은 1점, ***5점, I 그리냐르 시약과 가열은 각각 0.5점입니다. < /p>
8번째 질문(12점)은 36점입니다
⒈화학식:
메탄올 증기 이동(개질)의 화학 반응식은 다음과 같습니다.
p>
CH3OH(g)+H2O(g)=CO2(g)+3H2(g) ⑴ (1 점)
메탄올 부분 산화에 대한 화학 반응식은 다음과 같습니다.
CH3OH(g)+ O 2 (g)=CO2(g)+2H2(g) ⑵ (1 점)
위의 두 과정에는 다음과 같은 부반응이 있습니다.
< p>CO2(g)+H2(g)= CO(g)+H2O(g) ⑶ (1 점)반응 ⑴과 ⑵의 열 효과는 각각 다음과 같습니다.
ΔfHm ⑴=(-393.51+200.66+241.82)kJ?mol-1=48.97 kJ?mol-1 (1 포인트)
ΔfHm ⑵=(-393.51+200.66)kJ?mol- 1=-192.85 kJ?mol-1 (1 포인트)
위의 열역학적 계산 결과는 반응 ⑴이 흡열 반응이고 열원을 제공해야 한다는 것을 보여줍니다. 이는 반응 ⑴의 H2가 높다는 점입니다. 수익률이 장점입니다. 반응 (2)는 열을 발생시키고 자립할 수 있다는 장점이 있습니다. 반응 (2)는 수율이 낮고 공기 중 N2에 의해 희석됩니다(일반적으로 산화 개질을 위해 공기를 통해). 제품이 상대적으로 낮다는 것이 단점입니다. (2점)
⒉⑴CO의 산화 반응 속도는 다음과 같이 표현될 수 있습니다: (4) (1점)
식 (4)의 양변에 로그를 취하면, 있다
질문 데이터를 개별적으로 플롯하고 기울기가 다음과 같은 두 개의 직선을 얻습니다.
α≒-1(1포인트) β≒1(1포인트)
또 다른 해결 방법: pco가 고정된 값인 경우 두 세트의 실험 데이터(rco, pO2)를 방정식 (4)에 대입하면 하나의 β 값을 얻을 수 있습니다. (4) 여러 개의 β 값을 얻을 수 있으며 평균값은 β≒1이다(β 값을 하나만 계산하면 0.5점이 감점된다)
마찬가지로 pO2는 유지한다. 일정한 값에서 두 세트의 실험 데이터(rco, pco )를 수학식 ⑷에 대입하면 하나의 α 값을 얻을 수 있으며, 서로 다른 조합의 두 세트의 실험 데이터를 수학식 ⑷에 대입하면 여러 개의 α 값을 얻을 수 있으며, 평균값을 구하면 α≒-1을 얻습니다(α 값이 1만 계산된 경우 0.5점을 뺍니다)
따라서 이 반응은 CO에 대한 음의 1차 반응이고 양성의 1차 반응입니다. O2의 경우 속도 방정식은 다음과 같습니다. (1점)
⑵촉매 표면에서 각 물질의 흡착 또는 탈착 속도는 다음과 같습니다.
여기서 θv 및 θco는 촉매 표면의 공극 비율입니다. 촉매 표면과 촉매 표면에서 CO 분자가 차지하는 분율. 표면 종 O-M이 평형에 도달하고 OC-M이 흡착 평형에 도달하면 다음이 있습니다.
⑻ (2점) ⑼ (1점)
그래서 ⑽, < p>k는 촉매의 Ru 활성 부위에서 CO 산화 반응의 겉보기 속도 상수입니다.
CO는 촉매 표면에 강하게 흡착되므로, 즉 θco≒1이므로 이 근사식에서는 식 ⑽로 구해진다: ⑾(1점)
속도식 위에서 도출된 결과는 실험 결과와 동일합니다.
또 다른 해결책: 촉매 Ru의 활성 부위에 CO와 O2가 흡착되고, 흡착된 CO와 흡착된 O2 사이의 표면 반응은 속도 조절 단계로서 다음과 같은 식을 유도할 수 있다 :
< p> (4점)위 수식에서 K, kco, ko2는 kco,ads,ko2,ads,kco,des 등의 매개변수를 포함하는 상수입니다.
질문의 의미에 따르면, Ru 표면에서는 CO의 흡착이 O2의 흡착보다 훨씬 강하고, 그 다음에는
ko2Po2≒0(1점), kcoPco>>1 ( 1 포인트)
따라서 위의 공식은 공식 ⑾로 단순화될 수 있습니다. 즉: rco=kPo2/Pco
위의 도출에 따르면 동일한 포인트가 주어진다.
⒊ ⑴H2(g)+ O2(g)→H2O(l) ⑴
298.15 K에서 위 반응의 열역학적 함수 변화는 다음과 같습니다.
ΔrHm ⑴ = -285.84 kJ?mol-1 (1 포인트)
ΔrSm ⑴=(69.94-130.59-205.03/2)J?K-1?mol-1=-163.17 J?K-1 ?mol -1 (1 포인트)
ΔrGm ⑴=ΔrHm ⑴-TΔrSm ⑴
=(-285.84+298.15×163.17×10-3)kJ?mol-1=- 237.19 kJ Ωmol-1 (1점)
연료전지 반응의 이론적 효율 ⑴은 다음과 같습니다: (1점)
H2(g)+ O2(g)→H2O( g) ⑵
반응 (2)의 열역학적 함수 변화는: (1점)
연료전지 반응 (2)의 이론적 효율은: (1점)
p>두 반응 ΔrGm ⑴과 ΔrGm ⑵는 크게 다르지 않습니다. 즉, 출력할 수 있는 최대 전기 에너지는 비슷합니다. 그러나 이 두 반응 ΔrHm ⑴과 ΔrHm ⑵의 엔탈피 변화는 상당히 다릅니다.
ΔΔH=ΔrHm ⑵- ΔrHm ⑴=44.01 kJ?mol-1
위의 엔탈피 변화 차이 ΔΔH는 그림 5의 공정 엔탈피 변화와 정확히 근사치입니다.
위의 결과는 두 가지 연소 반응의 차이로 인해 제품마다 방출되는 열에너지(엔탈피 변화)가 다르다는 것을 보여줍니다. 비록 출력할 수 있는 최대 전기 에너지는 비슷하지만 연료의 이론적인 효율은 다릅니다. 세포는 여전히 상당히 다릅니다. (2점)
⑵473.15K에서 반응 ⑵의 경우 다음이 있습니다:
ΔrHm ⑵= -241.82 kJ?mol-1 (1점)
ΔrSm ⑵= -44.28J?K-1?mol-1 (1 포인트)
ΔrGm ⑵=ΔrHm ⑵-TΔrSm ⑵=-220.88 kJ?mol-1 (1 포인트)
< p>∴θ⑵=ΔrGm ⑵/ΔrHm ⑵=91.3%(1점)⑶ ⑴과 ⑵의 계산 결과를 비교하면, 연료전지의 이론적인 효율은 작동온도에 따라 변화함을 알 수 있다. 온도가 낮아지면 이론적인 효율은 증가합니다. 반응의 ΔrGm은 온도에 따라 변하며, 온도에 따른 ΔrGm의 변화는 주로 TΔrSm에 의해 발생합니다. (2포인트)