Đề học sinh giỏi quốc gia năm 2007 môn Hóa học

Nội dung text: Đề học sinh giỏi quốc gia năm 2007 môn Hóa học

1. ĐỀ HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA 2007 MÔN: HÓA HỌC Câu 1: Thực nghiệm cho biết ở pha rắn, vàng (Au) có khối lượng riêng là 19,4g/cm 3 và có mạng lưới lập phương tâm diện. Độ dài cạnh của ô mạng đơn vị là 4,070.10 -10m. Khối lượng mol nguyên tử của Au là 196,97g/mol. 1) Tính phần trăm thể tích không gian trống trong mạng lưới tinh thể của Au. 2) Xác định trị số của số Avogadro. Câu 2: Cho 0,1mol mỗi axit H 3PO2 và H3PO3 tác dụng với dung dịch KOH dư thì thu được hai muối có khối lượng lần lượt là 10,408g và 15,816g. 1) Xác định công thức cấu tạo và gọi tên hai phân tử axit trên. 2) Hãy cho biết kiểu lai hoá của nguyên tử photpho (P) và cấu trúc hình học của hai phân tử axit trên. Câu 3: Một dung dịch có ba chất HCl, BaCl2, FeCl3 cùng nồng độ 0,0150M. Sục khí CO2 vào dung dịch này cho đến bão hoà. Sau đó thêm từ từ NaOH vào dung dịch đến nồng độ 0,120M. Cho biết: -2 nồng độ CO2 trong dung dịch bão hoà là 3.10 M; thể tích của dung dịch không thay đổi khi cho CO2 và NaOH vào; các hằng số: pKa của H2CO3 là 6,35 và 10,33; pKs của Fe(OH)3 là 37,5 và của BaCO3 là 8,30; pKa của Fe3+ là 2,17. Tính pH của dung dịch thu được. Câu 4: Hỗn hợp bột A gồm 3 kim loại Mg, Zn, Al. Khi hoà tan hết 7,539g A vào 1lít dung dịch HNO3 thu được 1lít dung dịch B và hỗn hợp khí D gồm NO và N 2O. Thu khí D vào bình dung tích 0 0 3,20lít có chứa sẵn N2 ở 0 C và 0,23atm thì nhiệt độ trong bình tăng lên đến 27,3 C, áp suất tăng lên đến 1,10atm, khối lượng bình tăng thêm 3,720g. Nếu cho 7,539g A vào 1lít dung dịch KOH 2M thì sau khi kết thúc phản ứng khối lượng dung dịch tăng thêm 5,718g. Tính thành phần phần trăm khối lượng mỗi kim loại trong A. Câu 5: Muối KClO4 được điều chế bằng cách điện phân dung dịch KClO 3. Thực tế khi điện phân ở một điện cực, ngoài nửa phản ứng tạo ra sản phẩm chính là KClO 4 còn đồng thời xẩy ra nửa phản ứng phụ tạo thành một khí không màu. Ở điện cực thứ hai chỉ xẩy ra nửa phản ứng tạo ra một khí duy nhất. Hiệu suất tạo thành sản phẩm chính chỉ đạt 60%. 1. Viết ký hiệu của tế bào điện phân và các nửa phản ứng ở anot và catot. 2. Tính điện lượng tiêu thụ và thể tích khí thoát ra ở điện cực (đo ở 25 0C và 1atm) khi điều chế được 332,52g KClO4. Câu 6: 1. Cho hai phản ứng giữa graphit và oxi: (a) C(gr) + ½ O2 (k) CO (k) (b) C(gr) + O2 (k) CO2 (k) Các đại lượng H0, S0 (phụ thuộc nhiệt độ) của mỗi phản ứng như sau: 0 0 H T(a) (J/mol) = - 112298,8 + 5,94T H T(b) (J/mol) = - 393740,1 + 0,77T 0 0 S T(a) (J/K.mol) = 54,0 + 6,21lnT S T(b) (J/K.mol) = 1,54 - 0,77 lnT 0 0 Hãy lập các hàm năng lượng tự do Gibbs theo nhiệt độ G T(a) = f(T), G T(b) = f(T) và cho biết khi tăng nhiệt độ thì chúng biến đổi như thế nào? 2. Trong một thí nghiệm người ta cho bột NiO và khí CO vào một bình kín, đun nóng bình lên 0 đến 1400 C. Sau khi đạt tới cân bằng, trong bình có bốn chất là NiO (r), Ni (r), CO (k) và CO 2 (k) 1
2. 5 trong đó CO chiếm 1%, CO2 chiếm 99% thể tích; áp suất khí bằng 1bar (10 Pa). 3. Dựa vào kết quả thí nghiệm và các dữ kiện nhiệt động đã cho ở trên, hãy tính áp suất khí O 2 tồn tại cân bằng với hỗn hợp NiO và Ni ở 14000C. Câu 7: Có ba hợp chất: A, B và C HO C HO C C CH O 3 O CH3 OH O CH3 A B C 1) Hãy so sánh tính axit của A và B. 2) Hãy so sánh nhiệt độ sôi và độ tan trong dung môi không phân cực của B và C. 3) Cho biết số đồng phân lập thể có thể có của A, B và C. 2
3. HƯỚNG DẪN Câu 1: (2,0 điểm) Thực nghiệm cho biết ở pha rắn, vàng (Au) có khối lượng riêng là 19,4g/cm 3 và có mạng lưới lập phương tâm diện. Độ dài cạnh của ô mạng đơn vị là 4,070.10-10m. Khối lượng mol nguyên tử của Au là 196,97g/mol. 1) Tính phần trăm thể tích không gian trống trong mạng lưới tinh thể của Au. 2). Xác định trị số của số Avogadro. Hướng dẫn giải: a) Cạnh hình lập phương = a, khoảng cách hai đỉnh kề nhau: a = 4,070.10-10m Khoảng cách từ đỉnh đến tâm mặt lập phương là nửa đường chéo của mỗi mặt vuông: ½ (a¯2) = a/ ¯2 < a đó là khoảng cách gần nhất giữa hai nguyên tử bằng hai lần bán kính nguyên tử Au. 4,070 X10-10m : ¯2 = 2,878.10-10m = 2r r : bán kính nguyên tử Au = 1,439.10-10m Mỗi ô mạng đơn vị có thể tích = a 3 = (4,070 . 10-10 m)3 = 67, 419143.10-30 m3 và có chứa 4 nguyên tử Au . Thể tích 4 nguyên tử Au là 4 nguyên tử x 4/3 r3 4 = 4 (3,1416) (1,439. 10-10)3 3 = 49, 927.10-30m3 Độ đặc khít = (49,927.10-30m3)/ (67,419.10-30 m3) = 0,74054 = 74,054% Độ trống = 100% -74,054% = 25,946% b) Tính số Avogadro * 1 mol Au = NA nguyên tử Au có khối lượng 196,97 gam 196,97g 1 nguyên tử Au có khối lượng = N A ng.tu 3 khlg 4ngtu Au 4.196,97 Tỉ khối của Au rắn: d (Au) = 19,4 g/cm = 3 Vo mang N A .a 3 196,97g 1 19,4 g/cm = 4 nguyên tử x x 30 3 6 3 3 N A ng.tu 67,4191x10 m .10 cm / m 23 NA = 6,02386.10 Câu 2: (2,5 điểm) Cho 0,1mol mỗi axit H3PO2 và H3PO3 tác dụng với dung dịch KOH dư thì thu được hai muối có khối lượng lần lượt là 10,408g và 15,816g. 1. Xác định công thức cấu tạo và gọi tên hai phân tử axit trên. 2. Hãy cho biết kiểu lai hoá của nguyên tử photpho (P) và cấu trúc hình học của hai phân tử axit trên. Hướng dẫn giải: 1. Từ 0,1 mol H3PO2 phản ứng với KOH tạo ra 0,1 mol muối M muối = 10,408/ 0,1 mol = 104,08g/mol KxH3-xPO2 có M = 39,09 x + 1, 008 (3-x) + 30,97 + 32 = 104,08 M = 38,08 x + 65,994 = 104, 08 x = 1 Công thức của muối là KH2PO2 phân tử axit có 1 nguyên tử H có tính axit Từ 0,1 mol H3PO3 0,1 mol muối KyH3-y PO3 khối lượng muối = 15,86g M muối = 158,16g/mol 39,09 y + 1, 008 (3-y) + 30,97 + 48 = 158,16 38,08 y + 81,994 = 158, 16 38,08 y = 76,166 y = 2 Công thức của muối là K2HPO3 phân tử axit có 2 nguyên tử H axit Các nguyên tử H axit phải liên kết với O để bị phân cực mạnh nên hai axit có công thức cấu tạo: O 3 O P H P H O H H O H O H
4. H3PO2 H3PO3 axit hypophotphorơ axit photphorơ 2. Trong 2 phân tử nguyên tử P đều có lai hoá sp 3. Cả hai đều có cấu tạo tứ diện, nguyên tử P ở tâm tứ diện không đều. Câu 3: (2,0 điểm) Một dung dịch có ba chất HCl, BaCl2, FeCl3 cùng nồng độ 0,0150M. Sục khí CO 2 vào dung dịch này cho đến bão hoà. Sau đó thêm từ từ NaOH vào dung dịch đến nồng độ 0,120M. Cho biết: nồng độ CO2 trong -2 dung dịch bão hoà là 3.10 M; thể tích của dung dịch không thay đổi khi cho CO2 và NaOH vào; các hằng số: 3+ pKa của H2CO3 là 6,35 và 10,33; pKs của Fe(OH)3 là 37,5 và của BaCO3 là 8,30; pKa của Fe là 2,17. Tính pH của dung dịch thu được. Hướng dẫn giải: + 2+ 3+ Khi cho khí CO2 vào hỗn hợp gồm H 0,0150M; Ba 0,0150 M; Fe 0,0150 M có các quá trình: - + -6,35 CO2 + H2O HCO3 + H Ka1 = 10 - 2- + -10,33 HCO3 CO3 + H Ka2 = 10 HCl  H+ + Cl – 3+ 2+ + -2,17 Fe + H2O FeOH + H Ka = 10 3+ Dung dịch có môi trường axit mạnh (vì có HCl và Fe ), sự điện ly CO 2 là không đáng kể (vì nồng độ 2- CO3 vô cùng bé) nên không có kết tủa BaCO3 tạo thành. Khi thêm NaOH xảy ra các phản ứng: + - - Trung hoà HCl: H + OH H2O 0,015M 0,120M - 0,105M 3+ - - kết tủa Fe(OH)3 : Fe + 3OH Fe(OH)3 0,015 0,105 - 0,06 0,015 - Phản ứng với CO2: - 2- CO2 + 2OH CO3 + H2O 3.10-2 0,06 M - - 0,030 - Kết tủa BaCO3: 2+ 2- Ba + CO3 BaCO3  0,015 0,030 - 0,015 0,015 Thành phần hỗn hợp kết tủa có: Fe(OH)3 BaCO3 0,0150 mol 0,0150 mol Trong dung dịch có: 2- - + CO3 0,015M; Cl ; Na ; H2O Các cân bằng xảy ra: + - -14 H2O H + OH 10 (1) 3+ - -37,5 Fe(OH)3 Fe + 3OH Ks1 = 10 (2) 2+ 2- -8,30 BaCO3 Ba + CO 3 Ks2 = 10 (3) 2- - - -14 -10,33 -3,67 CO3 + H2O HCO3 + OH Kb1 = 10 /10 = 10 (4) - So sánh cho thấy cân bằng (4) là cân bằng quyết định pH của dung dịch ( vì OH do H2O điện ly và do 2- 2- Fe(OH)3 tan ra là rất bé), nồng độ CO3 do BaCO3 tan ra không đáng kể (vì có dư CO3 từ dung dịch). Tính pH theo (4) 2- - - -3,67 CO3 + H2O HCO3 + OH 10 C : 0,015 4
5. [ ]: (0,015 –x) x x x2/(0,015-x) = 10-3,67 x = [OH- ] = 1,69.10-3M pH = 11,23 Kiểm tra ( không cần đối với học sinh): 10 14 + [OH- ] = 1 0 3 >> [H+ ] ( do đó H O điện ly không đáng kể) 10 11,23 2 37,5 10 29 + [Fe3+ ] = 1 0 rất nhỏ do đó OH- do Fe(OH) tan ra không đáng kể. (10 38 )3 3 10 8,3 + [Ba2+ ] = 4 , 2 . 1 0 7 << 0,015. Vì vậy [CO 2- ] do Ba CO tan (0,015 1,7.10 3 ) 3 3 ra không đáng kể. Vậy cách giải trên là chính xác. Câu 4 (1,5 điểm) Hỗn hợp bột A gồm 3 kim loại Mg, Zn, Al. Khi hoà tan hết 7,539g A vào 1lít dung dịch HNO 3 thu được 1lít dung dịch B và hỗn hợp khí D gồm NO và N 2O. Thu khí D vào bình dung tích 3,20lít có chứa sẵn 0 0 N2 ở 0 C và 0,23atm thì nhiệt độ trong bình tăng lên đến 27,3 C, áp suất tăng lên đến 1,10atm, khối lượng bình tăng thêm 3,720g. Nếu cho 7,539g A vào 1lít dung dịch KOH 2M thì sau khi kết thúc phản ứng khối lượng dung dịch tăng thêm 5,718g. Tính thành phần phần trăm khối lượng mỗi kim loại trong A. Hướng dẫn: Giả sử trong 7,539 A có ( Mg: x mol; Zn: y mol; Al: z mol) - Phương trình hoà tan: 3M + 4n HNO3 3M (NO3)n + nNO + 2nH2O (1) 8M + 10n HNO3 8 M(NO3)n + nN2O  + 5n H2O (2) với Mg: n = 2, Zn: n = 2, Al: n = 3 ( có thể viết từng phản ứng riêng biệt) - Tính tổng số mol hỗn hợp khí C: 0 Nếu đưa toàn bộ bình khí (chứa hỗn hợp C và N2) về 0 C thì áp suất khí là: 1,1atm.273,15K p tổng = 1,00atm 300,45K pc = 1 atm - 0,23 atm = 0,77 atm 0,77atm.3,2L n = 0,11mol c L.atm 0,08205. .273,15K K.mol + Tính số mol mỗi khí trong hỗn hợp C: 0,11 mol C NO : a mol 3,720 g N2O: b mol a + b = 0,11 mol a = 0,08 mol NO 30 a + 44 b = 3,720g b = 0,03 mol N2O - + Số electron do NO3 nhận từ hỗn hợp A: - NO3 + 3e NO 0,24 mol  0,08 mol 0,24 + 0,24 = 0,48 mol electron - 2NO3 + 8e N2O 0,24 mol  0,03 mol + Số electron do A nhường: 2x + 2y + 3z = 0,48 (mol electron ) + Khi cho 7,539 A vào 1 lít dung dịch KOH 2M Zn + 2KOH K2ZnO2 + H2  2Al + 2KOH + 2H2O 2KAlO2 + 3H2 + Biện luận dư KOH: 7,539 g 7,539 g nAl < 0,28mol nZn < 0,12mol 26,98 g / mol 65,38 g / mol 5
6. nKOH = 2 mol > 0,28 mol dư KOH + Độ giảm khối lượng dung dịch: y (65,38 – 2,016) + z (26,98 -3,024) = 5,718 + Từ đó có hệ phương trình đại số: 24,30 x + 65,38 y + 26,98 z = 7,539 (g) x = 0,06 mol Mg 2x + 2y + 3z = 0,48 (mol e) y = 0,06 mol Zn 63,364 y + 23, 956 z = 5,718 (g) z = 0,08 mol Al Thành phần khối lượng A: Mg : 0,06 mol x 24,30g/ mol = 1,458g 19,34 % Zn : 0,06 mol x 65, 38 g/mol = 3,9228 52, 03 % Al : 0,08 mol x 26,98 g/mol = 2,1584g 28,63 % Câu5: (2,0 điểm) Muối KClO4 được điều chế bằng cách điện phân dung dịch KClO 3. Thực tế khi điện phân ở một điện cực, ngoài nửa phản ứng tạo ra sản phẩm chính là KClO 4 còn đồng thời xẩy ra nửa phản ứng phụ tạo thành một khí không màu. Ở điện cực thứ hai chỉ xẩy ra nửa phản ứng tạo ra một khí duy nhất. Hiệu suất tạo thành sản phẩm chính chỉ đạt 60%. 1. Viết ký hiệu của tế bào điện phân và các nửa phản ứng ở anot và catot. 2. Tính điện lượng tiêu thụ và thể tích khí thoát ra ở điện cực (đo ở 25 0C và 1atm) khi điều chế được 332,52g KClO4. Hướng dẫn giải: 1. Kí hiệu của tế bào điện phân: Pt KClO3 (dd) Pt - - + Phản ứng chính: anot: ClO3 - 2e + H2O ClO4 + 2H - catot: 2H2O + 2e H2 + 2OH - - ClO3 + H2O ClO4 + H2 + 1 Phản ứng phụ: anot: H2O - 2e 2H + O2 2 - catot: 2H2O + 2e H2 + 2OH 1 H2O O2 + H2 2 2. M 39,098 + 35,453 + 64,000 = 138,551 KClO4 332,52 n 2,4mol KClO4 138,551 c 100 q = 2,4 mol . 2F . 8.F 8(96485 C) 771880C mol 60 q = 771880 C 8F 3. Khí ở catot là hydro: n = 4mol H2 2F / mol nRT 4.0,08205.298 V = 97,80 lit H2 P 1 Khí ở anot là oxy: nF tạo ra O2 = 8 . 0,4 = 3,2 F 3,2F nO = 0,8mol 2 4F / mol nRT 0,8.0,08205.298 V = 19,56 lit O2 P 1 Câu 6: (2,0 điểm) 1. Cho hai phản ứng giữa graphit và oxi: (a) C(gr) + ½ O2 (k) CO (k) 6
7. (b) C(gr) + O2 (k) CO2 (k) Các đại lượng H0, S0 (phụ thuộc nhiệt độ) của mỗi phản ứng như sau: 0 0 H T(a) (J/mol) = - 112298,8 + 5,94T H T(b) (J/mol) = - 393740,1 + 0,77T 0 0 S T(a) (J/K.mol) = 54,0 + 6,21lnT S T(b) (J/K.mol) = 1,54 - 0,77 lnT 0 0 Hãy lập các hàm năng lượng tự do Gibbs theo nhiệt độ G T(a) = f(T), G T(b) = f(T) và cho biết khi tăng nhiệt độ thì chúng biến đổi như thế nào? 2. Trong một thí nghiệm người ta cho bột NiO và khí CO vào một bình kín, đun nóng bình lên đến 0 1400 C. Sau khi đạt tới cân bằng, trong bình có bốn chất là NiO (r), Ni (r), CO (k) và CO 2 (k) trong đó CO 5 chiếm 1%, CO2 chiếm 99% thể tích; áp suất khí bằng 1bar (10 Pa). 3. Dựa vào kết quả thí nghiệm và các dữ kiện nhiệt động đã cho ở trên, hãy tính áp suất khí O 2 tồn tại cân bằng với hỗn hợp NiO và Ni ở 14000C. Hướng dẫn giải: 0 0 0 1) (a) G T (a) HT (a) T ST (a) 0 GT (a) (- 112298,8 + 5,94 T) – T(54,0 + 6,21 lnT) 0 G T ( a ) -112298,8 – 48,06T - 6,21T. lnT Khi tăng T G0 giảm . 0 (b) GT (b) ( - 393740,1 + 0,77 T ) – T (1,54 - 0,77 lnT) 0 GT (b) ( - 393740,1 - 0,77 T + 0,77 TlnT) 0 Với T > 2,718 0,77 lnT > 0,77 T nên khi T tăng thì GT tăng . 2. * Từ các phương trình (a), (b) tìm hàm Kp (c) ở 1673K cho phản ứng (c): 1 (a) C (gr) + O2 (k) CO (k) x -1 2 (b) C (gr) + O2 (k) CO2 (k) x 1 1 (c) CO (k) + O2 (k) CO2 (k) 2 (c) = (b) - (a) 0 0 0 G T (c) GT (b) GT (a) 0 GT (c) [ -393740,1 – 0,77 T + 0,77 TlnT] - [-112298,8 -48,06T -6,21 TlnT] 0 G T (c) 281441,3 47,29T 6,98T ln T 0 G1673 (c) 115650J / mol G 0 (c) 115650 lnKp, (c) 8,313457 1673 RT 8,314.1673 Kp, 1673 (c) = 4083 * Xét các phản ứng 1 (c) CO (k) + O2 (k) CO2 (k) x -1 2 (d) NiO (r) + CO (k) Ni (r) + CO2 (k) x 1 1 (1) NiO (r) Ni (r) + O2 (k) 2 p CO2 99 Ở 1673K có Kp (d) = pCO 1 Kp(d) 99 Kp (1)= p1/ 2 = ở 1673K 0,024247 2,42247.10 2 O2 Kp(c) 4083 p K (1)2 = (2,4247. 10-2)2 O2 p P = 5,88 . 10-4 bar = 58, 8 Pa O2 Câu 7: 7
8. Có ba hợp chất: A, B và C HO C HO C C CH O 3 O CH3 OH O CH3 A B C 1. Hãy so sánh tính axit của A và B. 2. Hãy so sánh nhiệt độ sôi và độ tan trong dung môi không phân cực của B và C. 3. Cho biết số đồng phân lập thể có thể có của A, B và C. Hướng dẫn giải: Ba hợp chất A, B và C: 1. So sánh tính axit: (0,25 đ) Tính axit được đánh gía bởi sự dễ dàng phân li proton của nhóm OH. Khả năng này thuận lợi khi có các hiệu ứng kéo electron (-I hoặc –C) nằm kề nhóm OH. Ở A vừa có hiệu ứng liên hợp (-C) và hiệu ứng cảm ứng (-I); ở B chỉ có hiệu ứng (-I). Tính axit của (A) > (B). 2. So sánh điểm sôi và độ tan (0,25 đ) Liên kết hidro làm tăng điểm sôi. Chất C có liên kết hidro nội phân tử, B có liên kết hidro liên phân tử nên nhiệt độ sôi của (C) < nhiệt độ sôi của (B). (C) có độ tan trong dung môi không phân cực lớn hơn (B). 3. Đồng phân lập thể . (0,5đ) A, B đều có 2 tâm bất đối, hai nhóm thế có thể nằm ở 2 phía khác nhau của vòng xiclohexen và chúng có thể tồn tại 4 đồng phân lập thể. C có 4 tâm bất đối có 16 đồng phân H C H 3C 3 C H 3 CH3 O C OH C O C C H O HO O O H H H H O H (Không yêu cầu thí sinh vẽ cấu hình các đồng phân lập thể) 8