Kì thi chọn học sinh giỏi quốc gia môn Hóa học Lớp 12 THPT Năm học 2001-2002 - Phần Vô Cơ

Nội dung text: Kì thi chọn học sinh giỏi quốc gia môn Hóa học Lớp 12 THPT Năm học 2001-2002 - Phần Vô Cơ

1. bộ giáo dục và đào tạo kì thi chọn học sinh giỏi quốc gia lớp 12 thpt năm học 2001-2002 hướng dẫn chấm đề thi chính thức hoá học vô cơ (Bảng B) Ngày thi: 12/3/2002 Câu I: (4 điểm). 1. (2,0 điểm).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) (1,0 điểm). Hãy hoàn thành phương trình của sự biến đổi hạt nhân trên và nêu rõ định luật nào được áp dụng để hoàn thành phương trình. b) (1,0 điểm). 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. (2,0điểm). Có cấu hình electron 1s22s22p63s23p63d54s1 (1) a) (0,5điểm) .Dùng kí hiệu ô lượng tử biểu diễn cấu hình electron (1). b) (0,5 điểm).Cấu hình electron (1) là cấu hình electron của nguyên tử hay ion? Tại sao? c) (1,0 điểm). Cho biết tính chất hoá học đặc trưng của ion hay nguyên tử ứng với cấu hình electron (1), hãy viết một phương trình phản ứng để minh hoạ. Lời 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 là 27Co . 59 60 27Co + 0n1 27Co . Số khối: 60 = 60; Điện tích: 27 = 28 + x x = 1. Vậy có 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 nguyên tố mới. VD b/ ở trên. Phản ứng hoá học (oxi hoá khử): xảy ra ở vỏ electron nên chỉ biến đổi dạng đơn chất hợp chất. 2+ VD: 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 câu hỏi mà phải chỉ rõ đơn chất hay hợp chất. 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 trong (1) có 6e độc thân (nếu ion phải có cấu hình 1
2. e lớp ngoài cùng bão hoà ns2 np6 không có e độc thân hoặc có ít e độc thân, 1 tới 2 e; vả lại cấu hình trên có 1 e ở phân lớp 4s). c) Z = 24 nguyên tố Cr , Kim loại (chuyển tiếp). Dạng đơn chất có tính khử. Cr + 2HCl CrCl2 + H2 Câu II: (4 điểm). 1. (2,0 điểm). Để bảo vệ các thiết bị bằng sắt người ta thường phủ lên trên bề mặt thiết bị một lớp kim loại khác như kẽm, thiếc, crôm Hãy giải thích tại sao vật liệu bằng sắt phủ lớp thiếc trên bề mặt bị phá huỷ nhanh hơn lớp phủ kẽm? 2. (2,0điểm). Biết thế oxi hoá-khử tiêu chuẩn: Eo Cu2+/Cu+ = +0,16 V Eo Fe3+/Fe2+ = +0,77 V Eo Cu+/Cu = +0,52 V Eo Fe2+/Fe = -0,44 V Hãy cho biết hiện tượng gì xảy ra trong các trường hợp sau: a) (1,0 điểm). Cho bột sắt vào dung dịch Fe2(SO4)3 0,5M. b) (1,0 điểm). Cho bột đồng vào dung dịch CuSO4 1M Lời giải: 1. - Vật liệu bằng sắt phủ lớp thiếc trên bề mặt bị ăn mòn điện hoá. Giải thích: Lớp sắt tạo ra với thiếc một pin điện, ở catôt (cực dương) là thiếc còn anôt (cực âm) là sắt. Sắt bị ăn mòn, ion sắt chuyển vào dung dịch và có sự khử hiđro trên thiếc (ion H+ trong nước có hoà tan CO2). - Trường hợp sắt phủ kẽm thì sắt trở thành catôt của pin điện, còn kẽm đóng vai trò anôt (điện thế của kẽm thấp hơn điện thế của sắt), tại đây kẽm bị phá huỷ tạo ra các muối bazơ như ZnOH 2CO3 hoặc Zn(OH)2. ZnCO3 , Lớp muối này ít tan ngăn dung dịch điện phân tiếp xúc với bề mặt kim loại, hạn chế quá trình phá huỷ. Vậy vật liệu bằng sắt phủ lớp thiếc thì bị phá huỷ nhanh hơn khi phủ vật liệu bằng sắt phủ lớp kẽm. 2. a) Eo Fe3+/Fe2+ = +0,77 V > Eo Fe2+/Fe = -0,44 V nên: Tính oxi hoá: Fe3+ mạnh hơn Fe2+ Tính khử: Fe mạnh hơn Fe2+ Do đó phản ứng tự phát xảy ra giữa 2 cặp là: 2 Fe3+ + Fe 3 Fe2+ Như vậy Fe tan trong dung dịch Fe(SO4)3 tạo thành muối FeSO4, làm nhạt màu vàng ( hoặc đỏ nâu) của ion Fe3+ và cuối cùng làm mất màu (hoặc tạo màu xanh nhạt) dung dịch. b) Eo Cu+/Cu = + 0,52 V > Eo Cu2+/Cu+ = + 0,16 V nên: Tính oxi hoá: Cu+ mạnh hơn Cu2+ Tính khử: Cu+ mạnh hơn Cu Do đó phản ứng tự phát xảy ra giữa 2 cặp là: Cu+ + Cu+ Cu2+ + Cu Phản ứng nghịch(Cu2+ phản ứng với Cu tạo thành ion Cu+) không xảy ra. Do đó khi bỏ bột đồng vào dung dịch CuSO4 không xảy ra phản ứng và quan sát không thấy hiện tượng gì. Câu III: (6 điểm). 1. (1,0 điểm). Giải thích tính axit-bazơ trong dung dịch KIO3, dung dịch K3PO4. 2. (5,0 điểm). Dung dịch X gồm Na2S 0,010M, KI 0,060M, Na2SO4 0,050M. a) (1,,5 điểm). Tính pH của dung dịch X. b) (3,5 điểm). Thêm dần Pb(NO 3)2 vào dung dịch X cho đến nồng độ 0,090M thì thu được kết tủa A và dung dịch B. (1,0 điểm). - Cho biết thành phần hoá học của kết tủa A và dung dịch B. 2
3. (1,0 điểm). - Tính nồng độ các ion trong dung dịch B (không kể sự thuỷ phân của các ion, coi thể tích dung dịch không thay đổi khi thêm Pb(NO3)2). (1,5 điểm). - Nhận biết các chất có trong kết tủa A bằng phương pháp hoá học, viết các phương trình phản ứng (nếu có). - Cho: pK axit: HSO4 pK=2,00 ; H2S pK1 = 7,00 , pK2 = 12,90. Độ tan của H2S trong dung dịch bão hoà là 0,1M. -26 -7,8 -7,6 Tích số tan: PbS = 10 ; PbSO4 = 10 ; PbI2 = 10 . o o - E S/H2S = 0,14V ; E I2/2I = 0,54V. Lời giải: 1. Dung dịch KIO3 + KIO3 K + IO3 + H2O H + OH  H+ =  OH  Dung dịch K3PO4 + 3 K3PO4 3 K + PO4 3 2 PO4 + H2O HPO4 + OH + H2O H + OH  OH  > H + Dung dịch có tính bazơ. 2. a) Tính pH của dung dịch + 2- Na2S 2 Na + S 0,01 0,01 KI K+ + I- 0,06 0,06 + 2- Na2SO4 2Na + SO4 0,05 0,05 2- - -1,1 S + H2O HS + OH Kb(1) 10 (1) 2- - -12 SO4 + H2O H SO4 + OH Kb(2) 10 (2) Kb(1) >> Kb(2) nên cân bằng (1) quyết định pH của dung dịch: 2- - - -1,1 S + H2O HS + OH 10 C 0,01 [] (0,01 -x) x x x 2 10 1,1 x 2 0,0794x 10 3,1 0 0,01 x x = 8,94. 10-3 [OH-] = 8,94.10-3 pH = 11,95 b) Pb2+ + S2- PbS  (Ks -1) = 1026. 0,09 0,01 0,08 2+ 2- -1 7,8 Pb + SO4 PbSO 4  (Ks ) = 10 . 0,08 0,05 3
4. 0,03 2+ - -1 7,6 Pb + 2 I PbI2 (Ks ) = 10 . 0,03 0,06 Thành phần hỗn hợp: A : PbS , PbSO4 , PbI2 Dung dịch B : K+ 0,06M Na+ 0,12M 2+ 2- 2- Ngoài ra còn có các ion Pb ; SO4 ; S do kết tủa tan ra. Độ tan của PbI : 3 10 7,6 / 4 10 2,7 -7,8 3,9 PbS:S 10-26 10 13 2 PbSO 4 :S 10 10 Bởi vì độ tan của PbI2 là lớn nhất nên cân bằng chủ yếu trong dung dịch là cân bằng tan của PbI2. 2+ - PbI2 Pb + 2I Ks Do đó [Pb2+] = 10-47 = 2 x 10-3M [I-] = 4.10-3M. 10 7,8 2- 5,8 6 2+ [SO4 ] = = 5. 10 = 7,9.10 M << [Pb ] 2 10 3 10 26 [S2-] = = 5. 10 24 << [Pb2+] 2 10 3 2- 2- 2+ 2+ Các nồng độ SO4 , S đều rất bé so với nồng độ Pb , như vậy nồng độ Pb do PbS và PbSO4 tan ra là không đáng kể nên cách giải gần đúng trên là hoàn toàn chính xác. Nhận biết các chất có trong kết tủa A: PbS; PbSO4; PbI2. Cho kết tủa hoà tan trong NaOH dư :  PbS không tan, có màu đen. 2- 2- - - Dung dịch có PbO2 , SO4 , I , OH - 2- 2- PbSO4 + 4 OH PbO2 + SO4 + 2 H2O - 2- - PbI2 + 4 OH PbO2 + 2 I + 2 H2O 2- Nhận ra ion SO4 : cho BaCl2 dư: có kết tủa trắng BaSO 4, trong dung dịch có 2- - 2+ - PbO2 , OH , Ba , I . - 2+ Nhận ra I , Pb : axit hoá dung dịch bằng HNO3 dư sẽ có kết tủa vàng PbI2 xuất - + hiện: OH + H H2O 2- + 2+ PbO2 + 4 H Pb + 2H2O 2+ - Pb + 2 I PbI2 Câu IV: (2,5 điểm). o Tại 25 C phản ứng 2 N2O5 (k) 4 NO2 (k) + O2 (k) có hằng số tốc độ k = -5 -1 1,8.10 . s ; biểu thức tính tốc độ phản ứng v = k.CN2O5. Phản ứng trên xảy ra trong bình kín thể tích 20,0 lit không đổi. Ban đầu lượng N2O5 cho vừa đầy bình. ở thời điểm khảo sát, áp suất riêng của N2O5 là 0,070 atm . Giả thiết các khí đều là khí lí tưởng. 1. (1,25 điểm). Tính tốc độ: a) tiêu thụ N2O5 ; b) hình thành NO2 ; O2. 2. (0,25 điểm). Tính số phân tử N2O5 đã bị phân tích sau 30 giây. 3. (1,0 điểm). Nếu phản ứng trên có phương trình N2O5 (k) 2 NO2 (k) + 1/2 O2 (k) thì trị số tốc độ phản ứng, hằng số tốc độ phản ứng có thay đổi không? Giải thích. Lời giải: 1. Trước hết phải tính tốc độ của phản ứng theo biểu thức đã có: V = k CN2O5 (1) Đã có trị số k ; cần tính CN2O5 tại thời điểm xét: 4
5. pi V = ni RT CN2O5 = nN2O5 : V = pi / RT (2) -3 -1 Thay số vào (2), ta có: CN2O5 = 0,070 : 0,082 298 = 2,8646.10 (mol.l ) Đưa vào (1): -5 -3 Vpu = 1,80. 10 x 2,8646. 10 -8 -1 -1 Vpu = 5,16. 10 mol. l . S (3) Từ ptpư 2 N2O5 (k) 4 NO2 (k) + O2 (k) d CN2O5 Vtiêu thụ N2O5 = = 2 Vpu (4) dt Thay số vào (4). -8 Vtiêu thụ N2O5 = - 2 x 5, 16 . 10 . -7 -1 -1 Vtiêu thụ N2O5 = - 1,032.10 mol.l .s . Dấu - để chỉ “tiêu thụ N2O5 tức mất đi N2O5 hay giảm N2O5” b. Vhình thành NO2 = 4 Vpu = - 2Vtiêu thụ N2O5. (5) -8 Thay số: Vhình thành NO2 = 4 x 5,16.10 -7 -1 -2 Vhình thành NO2 = 2,064.10 mol l .s -8 -1 -2 Vhình thànhO2 = Vpu = 5,16.10 mol l .s Ghi chú: Hai tốc độ này đều có dấu + để chỉ “hình thành hay được tạo ra” (ngược với “tiêu thụ”). Việc tính tốc độ tiêu thụ N2O5 hay hình thành NO2, O2 theo tốc độ pu, Vpu, như trên chỉ thuần tuý hình thức theo hệ số phương trình, thực chất phản ứng này là một chiều bậc nhất. 2. Số phân tử N2O5 đã bị phân huỷ được tính theo biểu thức. NN205 bị phân huỷ = N = VN2o5 tiêu thụ  x Vbình x t x N0 Thay số: N = 1,032.10-6 x 20,0 x 30,0 x 6,023.1023. N 3,7.1020 phân tử 3. Nếu phản ứng trên có phương trình: N2O5(k) 2 NO2(k) + 1/2 O2 thì tốc độ phản ứng, Vpư, cũng như hằng số tốc độ phản ứng, k, đều không đổi (tại nhiệt độ T xác định), vì: - k chỉ phụ thuộc nhiệt độ. - theo (1): Khi k = const; CN2o5 = const thì V = const. Câu V: (3,5 điểm). Khí NO kết hợp với hơi Br2 tạo ra một khí duy nhất trong phân tử có 3 nguyên tử. 1. (0,5 điểm).Viết phương trình phản ứng xảy ra. 2. (1,5 điểm).Biết phản ứng trên thu nhiệt, tại 25oC có Kp = 116,6. Hãy tính Kp (ghi rõ đơn vị) tại 0oC ; 50oC. Giả thiết rằng tỉ số giữa hai trị số hằng số cân bằng tại 0oC với 25oC hay 25oC với 50oC đều bằng 1,54. 3. (1,5 điểm).Xét tại 25oC, cân bằng hoá học đã được thiết lập. Cân bằng đó sẽ chuyển dịch như thế nào? Nếu: a) Tăng lượng khí NO. b) Giảm lượng hơi Br2. c) Giảm nhiệt độ. Lời giải: 1. 2 NO(k) + Br2 (hơi) 2 NOBr (k) ; H > 0 (1) 5
6. Phản ứng pha khí, có n = -1 đơn vị Kp là atm-1 (2) 2. Do phản ứng thu nhiệt nên có liên hệ Kp tại O2 < Kp tại 252 < Kp tại 502 (3) -1 Vậy : Kp tại 250 = 1 / 1,54 x Kp tại 252 = 116,6 / 1,54 = 75,71 (atm ) -1 Kp tại 252 = 1,54 x Kp tại 252 = 116,6 x 1,54 179, 56 (atm ) 3. Xét sự chuyển dời cân bằng hoá học tại 25OC. Trường hợp a và b: về nguyên tắc cần xét tỉ số: PNOBr Q = (4) (Khi thêm NO hay Br2) (PNO)2 Sau đó so sánh trị số Kp với Q để kết luận. Tuy nhiên, ở đây không có điều kiện để xét (4); do đó xét theo nguyên lý Lơsatơlie. a. Nếu tăng lượng NO, CBHH chuyển dời sang phải, b. Nếu giảm lượng Br2, CBHH chuyển dời sang trái, . c. Theo nguyên lý Lơsatơlie, sự giảm nhiệt độ làm cho CBHH chuyển dời sang trái, để chống lại sự giảm nhiệt độ. 3. Nếu Q<Kp: CBHH chuyển dời sang phải, để Q tăng tới trị số Kp. Xảy ra trường hợp nào trong 3 trường hợp trên là tuỳ thuộc vào pi tại cân bằng hoá học. 6
7. bộ giáo dục và đào tạo kì thi chọn học sinh giỏi quốc gia lớp 12 thpt năm học 2001-2002 Đề thi chính thức Môn : hoá học , Bảng B Thời gian: 180 phút (không kể thời gian giao đề) Ngày thi : 12/3/2002 Câu I: 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 thành 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 tử hay ion? Tại sao? c) Cho biết tính chất hoá học đặc trưng của ion hay nguyên tử ứng với cấu hình electron (1), hãy viết một phương trình phản ứng để minh hoạ. Câu II: 1. Để bảo vệ các thiết bị bằng sắt người ta thường phủ lên trên bề mặt thiết bị một lớp kim loại khác như kẽm, thiếc, crôm Hãy giải thích tại sao vật liệu bằng sắt phủ lớp thiếc trên bề mặt bị phá huỷ nhanh hơn lớp phủ kẽm? 2. Biết thế oxi hoá-khử tiêu chuẩn: Eo Cu2+/Cu+ = +0,16 V Eo Fe3+/Fe2+ = +0,77 V Eo Cu+/Cu = +0,52 V Eo Fe2+/Fe = -0,44 V Hãy cho biết hiện tượng gì xảy ra trong các trường hợp sau: a) Cho bột sắt vào dung dịch Fe2(SO4)3 0,5M. b) Cho bột đồng vào dung dịch CuSO4 1M. Câu III: 1. Giải thích tính axit-bazơ trong dung dịch KIO3, dung dịch K3PO4. 2. Dung dịch X gồm Na2S 0,010M, KI 0,060M, Na2SO4 0,050M. a) Tính pH của dung dịch X. b) Thêm dần Pb(NO3)2 vào dung dịch X cho đến nồng độ 0,090M thì thu được kết tủa A và dung dịch B. - Cho biết thành phần hoá học của kết tủa A và dung dịch B. 7
8. - Tính nồng độ các ion trong dung dịch B (không kể sự thuỷ phân của các ion, coi thể tích dung dịch không thay đổi khi thêm Pb(NO3)2). - Nhận biết các chất có trong kết tủa A bằng phương pháp hoá học, viết các phương trình phản ứng (nếu có). - Cho: pK axit: HSO4 pK=2,00 ; H2S pK1 = 7,00 , pK2 = 12,90. Độ tan của H2S trong dung dịch bão hoà là 0,1M. -26 -7,8 -7,6 Tích số tan: PbS = 10 ; PbSO4 = 10 ; PbI2 = 10 . o o - E S/H2S = 0,14V ; E I2/2I = 0,54V. Câu IV: o Tại 25 C phản ứng 2 N2O5 (k) 4 NO2 (k) + O2 (k) có hằng số tốc độ -5 -1 k = 1,8.10 . s ; biểu thức tính tốc độ phản ứng v = k.C N2O5. Phản ứng trên xảy ra trong bình kín thể tích 20,0 lit không đổi. Ban đầu lượng N2O5 cho vừa đầy bình. ở thời điểm khảo sát, áp suất riêng của N2O5 là 0,070 atm . Giả thiết các khí đều là khí lí tưởng. 1. Tính tốc độ tiêu thụ N2O5 ; tốc độ hình thành NO2 ; O2. 2. Tính số phân tử N2O5 đã bị phân tích sau 30 giây. 3. Nếu phản ứng trên có phương trình N2O5 (k) 2 NO2 (k) + 1/2 O2 (k) thì trị số tốc độ phản ứng, hằng số tốc độ phản ứng có thay đổi không? Giải thích. Câu V: Khí NO kết hợp với hơi Br2 tạo ra một khí duy nhất trong phân tử có 3 nguyên tử. 1. Viết phương trình phản ứng xảy ra. 2. Biết phản ứng trên thu nhiệt, tại 25oC có Kp = 116,6. Hãy tính Kp (ghi rõ đơn vị) tại 0oC ; 50oC. Giả thiết rằng tỉ số giữa hai trị số hằng số cân bằng tại 0oC với 25oC hay 25oC với 50oC đều bằng 1,54. 3. Xét tại 25oC, cân bằng hoá học đã được thiết lập. Theo nguyên lí Lơ Satơliê, cân bằng đó sẽ chuyển dịch như thế nào? Nếu: a) Tăng lượng khí NO. b) Giảm lượng hơi Br2. c) Giảm nhiệt độ. 8