Đề thi học sinh giỏi Quốc gia môn Hóa học Lớp 12 năm 2002 - Bảng A (Có đáp án)

Nội dung text: Đề thi học sinh giỏi Quốc gia môn Hóa học Lớp 12 năm 2002 - Bảng A (Có đáp án)

1. ĐỀ THI CHỌN HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA VIỆT NAM NĂM 2002 (Bảng A): 1. Liệu pháp phóng xạ được ứng dụng rộng rãi để chữa ung thư. Cơ sở của liệu pháp đó là sự biến đổi hạt nhân. 59 1 27Co + 0n X? (1) 60 X? 28Ni + ; h = 1,25 MeV (2) (a) Hãy hoàn thành phương trình của sự biến đổi hạt nhân trên và nêu rõ định luật nào được áp dụng để hoàn th ành phương trình. (b) Hãy cho biết điểm khác nhau giữa phản ứng hạt nhân với phản ứng oxi hoá-khử (lấy thí dụ từ phản ứng (2) và phản ứng Co + Cl2 CoCl2). 2. Có cấu hình electron 1s22s22p63s23p63d54s1 (1) (a) Dùng kí hiệu ô lượng tử biểu diễn cấu hình electron (1). (b) Cấu hình electron (1) là cấu hình electron của nguyên tố hay ion ? Tại sao ? (c) Cho biết tính chất hoá học đặc trưng của ion hay nguyên tố ứng với cấu hình electron (1), hãy viết một phương trình phản ứng để minh họa. Z2 3. Biết En = -13,6. (n: số lượng tử chính, Z: số đơn vị điện tích hạt nhân). n 2 (a) Tính năng lượng 1e trong trường lực một hạt nhân của mỗi hệ N6+, C5+, O7+. (b) Qui luật liên hệ giữa E n với Z tính được ở trên phản ánh mối liên hệ nào giữa hạt nhân với electron trong các hệ đó ? (c) Trị số năng lượng tính được có quan hệ với năng lượng ion hoá của mỗi hệ trên hay không ? Tính năng lượng ion hoá của mỗi hệ. 4. Áp dụng thuyết lai hoá giải thích kết quả của thực nghiệm xác định được BeH2, CO2 đều là phân tử thẳng. BÀI GIẢI: 1. (a) Định luật bảo toàn vật chất nói chung, định luật bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích nói riêng, được áp dụng: 60 Điện tích : 27 + 0 = 27; Số khối : 59 + 1 = 60 X lµ 27Co . 59 60 27Co + 0n1 27Co . Số khối : 60 = 60; điện tích : 27 = 28 + x x = 1. VËy cã 1e0. 60 60 27Co 28Ni + -1e; hv = 1,25MeV. (b) Điểm khác nhau  Phản ứng hạt nhân : xảy ra tại hạt nhân, tức là sự biến đổi hạt nhân thành nguyên tố mới. Ví dụ (b) ở trên.  Phản ứng hoá học (oxi hoá - khử) : xảy ra ở vỏ electron nên chỉ biến đổi dạng đơn 2+ chất, hợp chất. Ví dụ : Co + Cl2 Co + 2Cl CoCl2.  Chất dùng trong phản ứng hạt nhân có thể là đơn chất hay hợp chất, thường dùng hợp chất. Chất dùng trong phản ứng oxi hoá - khử, phụ thuộc vào cấu hỏi mà phải chỉ rõ đơn chất hay hợp chất.
2.  Năng lượng kèm theo phản ứng hạt nhân lớn hơn hẳn so với năng lượng kèm theo phản ứng hoá học thông thường. 2. (a) Dùng ô lượng tử biểu diễn cấu hình :                (b) (1) là cấu hình e của nguyên tử vì cấu hình d bán bão hoà nên thuộc kim loại chuyển tiếp (theo HTTH các nguyên tố). Thuộc kim loại chuyển tiếp thì ion không thể là anion; nêu là cation, số e = 24 thì Z có thể là 25, 26, 27 Không có cấu hình cation nào ứng với các số liệu này. Vậy Z chỉ có thể là 24. (Nguyên tố Ga có cấu hình ar 3d104s24p1, ion Ga2+ có cấu hình ar 3d104s1 bền nên không thể căn cứ vào lớp ngoài cùng 4s1 để suy ra nguyên tố). (c) Z = 24 nguyên tố Cr, Kim loại (chuyển tiếp). Dạng đơn chất có tính khử. Cr + 2HCl CrCl2 + H2 2 3. (a) Theo đầu bài, n phải bằng 1 nên ta tính E1. Do đó công thức là E1 = 13,6 Z (ev) (2’) 5+ 5+ 2 Thứ tự theo trị số Z: Z = 6 C : (E1) C = 13,6 x 6 = 489,6 eV 6+ 6+ 2 Z = 7 N : (E1) N = 13,6 x 7 = 666,4 eV 7+ 7+ 2 Z = 8 O : (E1) O = 13,6 x 8 = 870,4 eV (b) Quy luật liên hệ E1với Z : Z càng tăng E1 càng âm (càng thấp). Qui luật này phản ánh tác dụng lực hút hạt nhân tới e được xét: Z càng lớn lực hút càng mạnh năng lượng càng thấp hệ càng bền, bền nhất là O7+. (c) Trị năng lượng đó có liên hệ với năng lượng ion hoá, cụ thể: 5+ 5+ C : I6 = (E1, C ) = + 489, 6 eV. 6+ 6+ N : I7 = (E1, N ) = + 666, 4 eV. 7+ 7+ O : I8 = (E1, O ) = + 870,4 eV. 4. Phân tử thẳng có 3 nguyên tố được giải thích về hình dạng : Nguyên tố trung tâm có lai hoá sp (là lai hoá thẳng). 1 2 2 BeH2, cấu hình electron của nguyên tử : H 1s ; Be : 1s 2s . Vậy Be là nguyên tử trung tâm có lai hoá sp:      lai hoá sp 2 obitan lai hoá sp cùng trên trục Z, mỗi obitan đã xen phủ với 1 obitan 1s của H tạo ra liên kết . Vậy BeH 2 H Be H (2 obitan p thuần khiết của Be không tham gia liên kết). 2 2 2 2 2 4 CO2, cấu hình electron : C 1s 2s 2p ; O 1s 2s 2p . Vậy C là nguyên tử trung tâm lai hóa sp          lai hoá sp 2 obitan lai hoá sp của C xen phủ với 2 obitan pz của 2 O tạo ra 2 liên kết . 2 obitan p thuần khiết của C xen phủ với obitan nguyên chất tương ứng của oxi tạo ra 2 liên
3. kết (xx ; y y) nên 2 liên kết này ở trong 2 mặt phẳng vuông góc với nhau và đều chứa 2 liên kết . VËy CO2 : O= C = O Ghi chó: Yêu cầu phải trình bày rõ như trên vì các liên kết , trong CO 2 (chó ý: phải nói rõ có sự tương ứng obitan giữa C với O : xx; y y) ĐỀ THI CHỌN HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA VIỆT NAM NĂM 2003 (Bảng A): 1. Nhôm clorua khi hoà tan vào một số dung môi hoặc khi bay hơi ở nhiệt độ không quá 0 cao thì tồn tại ở dạng dime (Al 2Cl6). Ở nhiệt độ cao (700 C) dime bị phân li thành monome (AlCl3). Viết công thức cấu tạo Lewis của phân tử dime và monome; Cho biết kiểu lai hoá của nguyên tử nhôm, kiểu liên kết trong mỗi phân tử ; Mô tả cấu trúc hình học của các phân tử đó. 2. Phẩn tử HF và phân tử H 2O có momen lưỡng cực, phân tử khối gần bằng nhau (HF 1,91 Debye, H O 1,84 Debye, M 20, M 18); nhưng nhiệt độ nóng chảy của 2 HF H2O hidroflorua là – 830C thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của nước đá là 00C, hãy giải thích vì sao? BÀI GIẢI: 1. * Viết công thức cấu tạo Lewis của phân tử dime và monome. Nhôm có 2 số phối trí đặc trưng là 4 và 6. Phù hợp với quy tắc bát tử, cấu tạo Lewis của phân tử dime và monome: Cl Cl Cl Cl Al Monome Cl ; dime Al Al Cl Cl Cl Cl 2 * Kiểu lai hoá của nguyên tử nhôm : Trong AlCl3 là sp vì Al có 3 cặp electron hoá trị; 3 Trong Al2Cl6 là sp vì Al có 4 cặp electron hoá trị . Liên kết trong mỗi phân tử: AlCl3 có 3 liên kết cộng hoá trị có cực giữa nguyên tử Al với 3 nguyên tử Cl. Al2Cl6: Mỗi nguyên tử Al tạo 3 liên kết cộng hoá trị với 3 nguyên tử Cl và 1 liên kết cho nhận với 1 nguyên tử Cl (Al: nguyên tử nhận; Cl nguyên tử cho). Trong 6 nguyên tử Cl có 2 nguyên tử Cl có 2 liên kết, 1 liên kết cộng hoá trị thông thường và liên kết cho nhận. Cl 1200 1200 Al Cl Cl 1200
4. * Cấu trúc hình học: 2 Phân tử AlCl3: nguyên tử Al lai hoá kiểu sp (tam giác phẳng) nên phân tử có cấu trúc tam giác phẳng, đều, nguyên tử Al ở tâm còn 3 nguyên tử Cl ở 3 đỉnh của tam giác. O Phân tử Al2Cl6: cấu trúc 2 tứ diện ghép với nhau. Mỗi nguyên tử Al là tâm của một tứ diện, mỗi nguyên tử Cl là đỉnh của tứ O O diện. Có 2 nguyên tử Cl là đỉnh chung của 2 tứ diện. Al O Cl O O O 2. M = 18 * Phân tử H-F M = 20 Jt ; H-O-H  = 1,91 Debye  = 1,84 Debye có thể tạo liên kết hidro – HF – có thể tạo liên kết hidro – H O – * Nhiệt độ nóng chảy của các chất rắn với các mạng lưới phân tử (nút lưới là các phân tử) phụ thuộc vào các yếu tố: - Khối lượng phân tử càng lớn thì nhiệt độ nóng chảy càng cao. - Lực hút giữa các phân tử càng mạnh thì nhiệt độ nóng chảy càng cao. Lực hút giữa các phân tử gồm: lực liên kết hidro, lực liên kết Van der Waals (lực định hướng, lực khuếch tán). *Nhận xét: HF và H2O có momen lưỡng cực xấp xỉ nhau, phân tử khối gần bằng nhau và đều có liên kết hidro khá bền, đáng lẽ hai chất rắn đó phải có nhiệt độ nóng chảy xấp xỉ nhau, HF có nhiệt độ nóng chảy phải cao hơn của nước (vì HF momen lưỡng cực lớn hơn, phân tử khối lớn hơn, liên kết hidro bền hơn). 0 0 Tuy nhiên, thực tế cho thấy Tnc (H2O) = 0 C > Tnc(HF) = – 83 C. * Giải thích: Mỗi phân tử H-F chỉ tạo được 2 liên kết hidro với 2 phân tử HF khác ở hai bên H-F H-F H-F. Trong HF rắn các phân tử H-F liên kết với nhau nhờ liên kết hidro tạo thành chuỗi một chiều, giữa các chuỗi đó liên kết với nhau bằng lực Van der Waals yếu. Vì vậy khi đun nóng đến
5. nhiệt độ không cao lắm thì lực Van der Waals giữa các chuỗi đã bị phá vỡ, đồng thời mỗi phần liên kết hidro cững bị phá vỡ nên xảy ra hiện tượng nóng chảy. Mỗi phân tử H-O-H có thể tạo được 4 liên kết hidro với 4 phân tử H2O khác nằm ở 4 đỉnh của tứ diện. Trong nước đá mỗi phân tử H2O liên kết với 4 phân tử H2O khác tạo thành mạng lưới không gian 3 chiều. Muốn làm nóng chảy nước đá cần phải phá vỡ mạng lưới không gian 3 chiều với số lượng liên kết hidro nhiều hơn so với ở HF rắn do đó đòi hỏi nhiệt độ cao hơn. ĐỀ THI CHỌN HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA VIỆT NAM NĂM 2004 (Bảng A): - 2+ 1. Trong số các phân tử và ion: CH2Br2, F , CH2O, Ca , H3As, (C2 H5 )2O , phân tử và ion nào có thể tạo liên kết hidro với phân tử nước? Hãy giải thích và viết sơ đồ mô tả sự hình thành liên kết đó. 2. a) U238 tự phân rã liên tục thành một đồng vị bền của chì. Tổng cộng có 8 hạt được phóng ra trong qúa trình đó. Hãy giải thích và viết phương trình phản ứng chung của quá trình này. b) Uran có cấu hình electron [Rn]5f36d17s2. Nguyên tố này có bao nhiêu electron độc thân? Có thể có mức oxi hoá cao nhất là bao nhiêu? 3. Trong nguyên tố hoặc ion dương tương ứng có từ 2 electron trở lên, electron chuyển động trong trường lực được tạo ra từ hạt nhân nguyên tử và các electron khác. Do đó mỗi trạng thái của một cấu hình electron có một trị số năng lượng. Với nguyên tử Bo (số đơn vị điện tích hạt nhân Z = 5) ở trạng thái cơ bản có số liệu như sau: Cấu hình electron Năng lượng (theo eV) Cấu hình electron Năng lượng (theo eV) 1s1 -340,000 1s22s2 - 660,025 1s2 -600,848 1s22s22p1 - 669,800 1s22s1 -637,874 Trong đó: eV là đơn vị năng lượng; dấu - biểu thị năng lượng tính được khi electron còn chịu lực hút hạt nhân. a) Hãy trình bày chi tiết về kết qủa tính các trị số năng lượng ion hoá có thể có của nguyên tử Bo theo eV khi dùng dữ kiện cho trong bảng trên. b) Hãy nêu nội dung và giải thích qui luật liên hệ giữa các năng lượng ion hoá đó. 4. Năng lượng liên kết của N-N bằng 163 kJ.mol –1, của NN bằng 945 kJ.mol –1. Từ 4 nguyên tử N có thể tạo ra 1 phân tử N4 tứ diện đều hoặc 2 phân tử N 2 thông thường. Trường hợp nào thuận lợi hơn? Hãy giải thích. BÀI GIẢI: 2+ 1/ Các vi hạt CH 2Br2, Ca , H3As không có nguyên tử âm điện mạnh nên không thể tạo liên kết hidro với phân tử nước. - Các vi hạt F , CH2O, (C2 H5 )2O có nguyên tố âm điện mạnh nên có thể tạo liên kết hidro với phân tử nước: H H F H O C H O H 2 5 O O . . . H C O . . . H H C2H5 H
6. 238 x 4 2/ a) U tự phóng xạ tạo ra đồng vị bền 92Pb cùng với ba loại hạt cơ bản: 2 , - o o 1 và o . Theo định luật bảo toàn khối lượng: x = 238 4 8 = 206. Vậy có 206 82Pb . o Theo định luật bảo toàn điện tích :[ 92 – (82 + 2 8)] / ( 1) = 6. Vậy có 6 hạt -1 . 238 206 Do đó phương trình chung của qúa trình này là: 92U 82Pb + 8 He + 6. b) Cấu hình electron [Rn]5f36d17s2 có số electron ngoài được biểu diễn như sau:      238 Vậy nguyên tố 92U có 4 e độc thân (chưa ghép đôi); mức (số) oxi hoá cao nhất là +6 và U[Rn]5f36d17s2 – 6 e U [Rn]+6 . 3/ a) Tính các trị năng lượng ion hoá có thể có của Bo: Từ cấu hình electron đã cho , ta xác định được các vi hạt tương ứng cùng với trị năng lượng như sau: Cấu hình Vi hạt Năng lượng Cấu hình Vi hạt Năng lượng electron (theo eV) electron (theo eV) 1s1 B4+ - 340,000 1s22s2 B+ - 660,025 1s2 B3+ - 600,848 1s22s22p1 B - 669,800 1s22s1 B2+ - 637,874
7. Cã ®Þnh nghÜa: N¨ng l­îng ion ho¸ (cña mét nguyªn tö) lµ n¨ng l­îng Ýt nhÊt cÇn ®Ó t¸ch 1 e khái nguyªn tö ë tr¹ng th¸i c¬ b¶n mµ kh«ng truyÒn thªm ®éng n¨ng cho e ®ã. VËy gi÷a n¨ng l­îng  cña1 e ë tr¹ng th¸i c¬ b¶n vµ n¨ng l­îng ion ho¸ I t­¬ng øng cã liªn hÖ: I = -  (1). (k – 1)+ k+ VËy víi sù ion ho¸ M - e M ; Ik (2), Ta cã liªn hÖ: Ik = -  = - EM(k -1)+ - EMk+  (3) Trong ®ã: k chØ sè e ®· bÞ mÊt (do sù ion ho¸) cña vi h¹t ®ù¬c xÐt, cã trÞ sè tõ 1 ®Õn n; do ®ã k+ chØ sè ®¬n vÞ ®iÖn tÝch d­¬ng cña ion M k+ ; Ik lµ n¨ng l­îng ion ho¸ thø k cña nguyªn tè M ®­îc biÓu thÞ theo (2). XÐt cô thÓ víi nguyªn tè Bo: v× Z = 5 nªn nguyªn tö cã 5 e; vËy k = 1 ®Õn 5. ¸p dông ph­«ng tr×nh (2) vµ (3), dïng sè d÷ kiÖn b¶ng trªn cho Bo, ta cã: o + * B e B ; I1 ( vËy k = 1); I1 = - [ EB EB+] = ( 669,800 + 660,025 ). VËy I1 = 9,775 eV . + 2+ * B e B ; I2 ( vậy k = 2); I2 = - [ EB+ EB2+] = ( 660,025 + 637,874). Vậy I2 = 22,151 eV . 2+ 3+ * B e B ; I3 ( vậy k = 3); I3= - [EB2+ EB3+] = ( 637,874 + 600,848). Vậy I3 = 37,026 eV . 3+ 4+ * B e B ; I4 ( vậy k = 4); I4= - [EB3+ EB4+] = ( 600,848 + 340,000). Vậy I4 = 260,848 eV . 4+ 5+ * B e B ; I4 ( vậy k = 5); I5= - [EB4+ EB5+] = ( 340,000 + 0,000). Vậy I5 = 340,000 eV . b) Tõ kÕt qu¶ trªn, ta thÊy cã qui luËt liªn hÖ c¸c trÞ n¨ng l­îng ion ho¸ cña Bo nh­ sau I1 I2 I3 I4 I5 (4). Giải thích: Khi vi hạt M (k – 1)+ mất thêm 1 e tạo thành M k+ có số đơn vị điện tích k+ lớn hơn (k – 1) nên lực hút tác dụng lên e tiếp theo trong vi hạt M k+ mạnh hơn so với trong M (k – 1)+. Do đó phải tốn năng lượng lớn hơn để tách 1e tiếp theo k+ khỏi M ; nghĩa là I( k – 1) Ik như đã được chỉ ra trong (4) trên đây. 2. a) XÐt dÊu cña nhiÖt ph¶n øng ΔH =  iEi - jEj i  j Trong ®ã i, j lµ liªn kÕt thø i, thø j ë chÊt tham gia, chÊt t¹o thµnh t­¬ng øng cña ph¶n øng ®­îc xÐt; Ei ; Ej lµ n¨ng l­îng cña liªn kÕt thø i, thø j ®ã. b) Xét cụ thể với nitơ : Phản ứng 4 N N4 (1)
8. Cã H1 = 4 EN - EN4 = 0,0 - 6 163 ; vËy H1 = - 978 kJ . Ph¶n øng 4 N 2 N2 (2) Cã H2 = 4 EN - 2 EN2 = 0,0 - 2 945 ; vËy H2 = - 1890 kJ . Ta thây H2 H1. Vậy phản ứng 4 N 2 N2 xảy ra thuận lợi hơn phản ứng 4 N N4. ĐỀ THI CHỌN HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA VIỆT NAM NĂM 2004 (Bảng B): 1. Ion nào trong các ion sau đây có bán kính nhỏ nhất? Hãy giải thích. Li+, Na+, K+, Be2+, Mg2+. 2. Sắt monoxit FeO có cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm diện (mặt) kiểu NaCl với thông số mạng a = 0,430 nm. Hãy tính khối lượng riêng của tinh thể sắt monoxit đó. BÀI GIẢI: 1. Li+ Be2+ Be2+ vµ Li+ ®ång electron t¨ng Na+ Mg2+ víi nhau, nh­ng ë Be2+ ®iÖn r K+ tÝch h¹t nh©n nhiÒu h¬n r nhá h¬n cña Li+ gi¶m r VËy trong sè 5 ion nµy Be2+ cã b¸n kÝnh nhá nhÊt. 2. §èi víi tinh thÓ lËp ph­¬ng t©m diÖn ( mÆt), mçi « m¹ng c¬ së cã sè ®¬n vÞ cÊu 1 1 tróc lµ x8 x6 4 . ( ThÝ sinh cã thÓ vÏ h×nh khi tÝnh sè ®¬n vÞ cÊu tróc trªn ). 8 2 VËy khèi l­îng riªng cña tinh thÓ ®ã lµ: 4(55,8 16) 3 d 3 5,91(g / cm ) 0,432.10 7 .6,022.1023 ĐỀ THI CHỌN HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA VIỆT NAM NĂM 2005 (Bảng A): Các vi hạt có cấu hình electron phân lớp ngoài cùng: 3s1, 3s2, 3p3, 3p6 là nguyên tố hay ion? Tại sao? H·y dÉn ra mét ph¶n øng ho¸ häc (nÕu cã) ®Ó minh ho¹ tÝnh chÊt ho¸ häc ®Æc tr­ng cña mçi vi h¹t. Cho biết: Các vi hạt này là ion hoặc nguyên tử của nguyên tố thuộc nhóm A và nhóm VIII(0). BÀI GIẢI: Cấu hình electron của các lớp trong của các vi hạt là 1s22s22p6, ứng với cấu hình của [Ne]. 1. CÊu h×nh [Ne] 3s1 chØ cã thÓ øng víi nguyªn tö Na (Z = 11), kh«ng thÓ øng víi ion.
9. Na là kim loại điển hình, có tính khử rất mạnh. Thí dụ: Na tự bốc cháy trong H 2O ở nhiệt độ thường. 2 Na + 2 H2O 2 NaOH + H2 2. CÊu h×nh [Ne] 3s2 øng víi nguyªn tö Mg (Z = 12), kh«ng thÓ øng víi ion. Mg lµ kim loai ho¹t ®éng. Mg ch¸y rÊt m¹nh trong oxi vµ c¸ trong CO2. 2 Mg + O2 2 MgO 3. CÊu h×nh [Ne] 3s23p3 øng víi nguyªn tö P (Z = 15), kh«ng thÓ øng víi ion. P lµ phi kim ho¹t ®éng. P ch¸y m¹nh trong oxi. 4 P + 5 O2 2 P2O5 4. CÊu h×nh [Ne] 3s23p6: a) Tr­êng hîp vi h¹t cã Z = 18. §©y lµ Ar, mét khÝ tr¬. b) Vi h¹t cã Z 18. §©y lµ ion d­¬ng: Z = 19. §©y lµ K+, chÊt oxi ho¸ rÊt yÕu, chØ bÞ khö d­íi t¸c dông cña dßng ®iÖn (®iÖn ph©n KCl hoÆcKOH nãng ch¶y). Z = 20. §©y lµ Ca2+, chÊt oxi ho¸ yÕu, chØ bÞ khö d­íi t¸c dông cña dßng ®iÖn (®iÖn ph©n CaCl2 nãng ch¶y).