高中化學(xué)碳族元素和硼族元素競(jìng)賽解析

1、碳族元素和硼族元素第1題（共6分）實(shí)驗(yàn)室制備少量硅一般采用鎂粉還原SiO2的方法，然后用稀鹽酸洗滌產(chǎn)品以除去雜質(zhì)。某同學(xué)在進(jìn)行上述操作時(shí)，在制得的產(chǎn)品中加HCl洗滌時(shí)突然起火。（1）請(qǐng)用化學(xué)方程式解釋：稀鹽酸洗滌產(chǎn)品可除去哪些主要雜質(zhì)？為什么加HCl洗滌時(shí)突然起火？（2）請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證你的解釋。（不必畫(huà)出裝置圖，也不必指出具體化學(xué)藥品，不要寫(xiě)方程式，只要簡(jiǎn)明指出方法。）.（共6分）（1） 2HCl+MgO =H2O+MgCl 22HCl+Mg =H2 T +MgC2 SiO2+4Mg= Mg2Si +2MgOMg 2Si+4HCl =SiH 4+2MgCl 2SiH4+2O 2=SiO2

2、+2H 2O（2）在N2保護(hù)下（或惰性氣體），對(duì)硅烷氣體進(jìn)行檢驗(yàn)。SiH4+2KMnO 4=H2+K2SiO3+2MnO 2 J + HO （不要求）（方程式各1分，檢驗(yàn)1分）第2題（8分）C60的發(fā)現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了國(guó)際科學(xué)的一個(gè)新領(lǐng)域，除C60分子本身具有誘人的性質(zhì)外，人們發(fā)現(xiàn)它的金屬摻雜體系也往往呈現(xiàn)出多種優(yōu)良性質(zhì)，所以摻雜C60成為當(dāng)今的研究熱門領(lǐng)域之一。經(jīng)測(cè)定C60晶體為面心立方結(jié)構(gòu)，晶胞參數(shù)a=1420pm。在C60中摻雜堿金屬鉀能生成鹽，假設(shè)摻雜后的K+填充C60分子堆積形成的全部八面體空隙，在晶體中以K+和C60存在，且C60一可近似看作與 C60分子半徑相同的球體。已知C的范德華半徑為

3、 170pm, K+的離子半徑133pm。11-1摻雜后晶體的化學(xué)式為 ;晶胞類型為 ;如果為C60 一頂點(diǎn)，那么K+所處的位置是 ;處于八面體空隙中心的K+到最鄰近的C60一中心的距離是 pm。11-2實(shí)驗(yàn)表明C60摻雜K+后的晶胞參數(shù)幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，試給出理由。11-3計(jì)算預(yù)測(cè)C60球內(nèi)可容納的摻雜原子的半徑。第11題（8分）11-1 KC 60面心立方晶胞體心和棱心 710pm （各1分，共4分）11-2 C60分子形成面心立方最密堆積，由其晶胞參數(shù)可得 C60分子的半徑:r(C60)=矗筆=502 Pm所以C60分子堆積形成的八面體空隙可容納的球半徑為：r(容納)=0.414 附隹積

4、)=0.414 502=208pm這個(gè)半徑遠(yuǎn)大于 K +的離子半徑133pm,所以對(duì)C60分子堆積形成的面心立方晶胞參數(shù)幾乎沒(méi)有影響(211-3 因r(C60)=502pm ,所以C60球心到C原子中心的距離為： 502-170=332 pm所以空腔半徑，即 C60球內(nèi)可容納原子最大半徑為：332-170=162 pm第3題(共11分)2005年1月美國(guó)科學(xué)家在Science上發(fā)表論文，宣布發(fā)現(xiàn)了 Al的超原子結(jié)構(gòu)，并預(yù)言其 他金屬原子也可能存在類似的結(jié)構(gòu)，這是一項(xiàng)將對(duì)化學(xué)、物理以及材料領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響的發(fā)現(xiàn)，引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。這種超原子是在 Al的碘化物中發(fā)現(xiàn)的，以 13個(gè)Al原子或1

5、4個(gè)Al原子形成A1i3或Al 14 超原子結(jié)構(gòu)，量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果表明，Al 13形成12個(gè)Al在表面，1個(gè)Al在中心的三角二十面體結(jié)構(gòu)， Al 14可以看作是一個(gè) Al原子跟Al 13面上的一個(gè)三角形的 3個(gè)Al形成Al -Al鍵而獲得的。文章還指出， A%和 Al 14超原子都是具有40個(gè)價(jià)電子時(shí)最穩(wěn)定。(1)根據(jù)以上信息可預(yù)測(cè) Al 13和AI14的穩(wěn)定化合價(jià)態(tài)分別為 和。A1i4應(yīng)具有元素周期表中 哪 類化學(xué)元素的性質(zhì)，理由是： (2)對(duì)Al 13和A114的AlAl鍵長(zhǎng)的測(cè)定十分困難，而理論計(jì)算表明，*13和人114中的Al-Al鍵長(zhǎng)與金屬鋁的Al -Al鍵長(zhǎng)相當(dāng)，已知金屬鋁的晶體結(jié)

6、構(gòu)采取面心立方最密堆積，密度約為2.7g/cm3,請(qǐng)估算Al 13和Al14:中Al -Al的鍵長(zhǎng)。(3) Al 13三角二十面體中有多少個(gè)四面體空隙，假設(shè)為正四面體空隙，如果在其中攙雜其他原子，請(qǐng)通過(guò)計(jì) TOC o 1-5 h z 算估計(jì)可攙雜原子的半徑最大為多少？12.(共 11 分)(1)-1 +2 (Al 13- A1i42+) (2 分，各 1 分)堿土金屬因?yàn)锳l 14容易失去2個(gè)電子而呈現(xiàn)+2價(jià)(1分)MZ27 43(2)根據(jù)晶體留度公式可得：V= =23= a 故晶胞參數(shù) a =405pmNa：6.02 102.7因?yàn)榻饘黉X形成面心立方晶胞，所以原子半徑與晶胞參數(shù)之間的關(guān)系為：

7、c2、2 八彳c2a =4r r = a = 405 pm =143 pm 44所以估計(jì) Al-Al鍵長(zhǎng)約為：2r=2X143pm=286pm (3分)(3)有20個(gè)四面體空隙 (2分)r,設(shè)Al的半徑為R,正四面體空隙可以填充的內(nèi)切球半徑為則正四面體邊長(zhǎng)b=2R,立方體邊長(zhǎng) ”R,1立方體對(duì)角線為：（.2R）2 （2R）22=J6R一 6R = r R所以 r =（亞 _1）R=0.225R=0.225m143Pm =32.2Pm（3 分） 2（2003）第5題（8分） 在30oC以下，將過(guò)氧化氫加到硼酸和氫氧化鈉的混合溶液中，析出一種無(wú)色晶體X。組成分析證實(shí)，該晶體的質(zhì)量組成為Na 14.

8、90%, B 7.03 %, H 5.24 %。加熱X,得無(wú)色晶體 Y。Y含Na 23.0%,是一種溫和的氧化劑，常溫下在干燥空氣里穩(wěn)定，但在潮濕熱空氣中分解放氧，廣泛用作洗滌劑、牙膏、織物漂白劑和美發(fā)產(chǎn)品，也用于有機(jī)合成。結(jié)構(gòu)分析證實(shí)X和丫的晶體中有同一種陰離子Z2-,該離子中硼原子的化學(xué)環(huán)境相同，而氧原子卻有兩種成鍵方式。4-1寫(xiě)出X、Y的最簡(jiǎn)式，給出推理過(guò)程。X的最簡(jiǎn)式；NaBH8O7 Y的最簡(jiǎn)式； WBH2O4 （各1分；寫(xiě)成水合物也可）推理過(guò)程：NaBH O14.90/23.0 = 0.648 7.03/10.8 = 0.6515.24/1.008= 5.20 72.83/16.0=

9、4.55187X變成Y是脫水過(guò)程。X為NaBH 2O4 - 3H2O,則Y中Na的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為 23/99.8 = 0.23（若X是NaBO3 - 4H2O,則丫中Na的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23/81.8=0.28不符合題意。）（1分）4-2用最恰當(dāng)?shù)囊暯钱?huà)出 Z2-離子的立體結(jié)構(gòu)（原子用元素符號(hào)表示，共價(jià)鍵用短線表示）2-（5分；不寫(xiě)2 不扣分。）參考圖形:（2004年）第13題（9分）88.1克某過(guò)渡金屬元素 M同134.4升（已換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況）一氧化碳完全反應(yīng)生成反磁性四配位絡(luò)合物。該配合物在一定條件下跟氧反應(yīng)生成與NaCl屬同一晶型的氧化物。.推斷該金屬是什么；.在一定溫度下 MO可在三氧化二鋁

10、表面自發(fā)地分散并形成“單分子層”。理論上可以計(jì)算單層分散量，實(shí)驗(yàn)上亦能測(cè)定。（a）說(shuō)明MO在三氧化二鋁表面能自發(fā)分散的主要原因。（b）三氧化二鋁表面上鋁離子的配位是不飽和的。MO中的氧離子在三氧化二鋁表面上形成密置單層。畫(huà)出此模型的圖形；計(jì)算 MO在三氧化二鋁（比表面為 178 m2/g）表面上的最大單層分散量（g/m2）（氧離子的半徑為 140 pm）。（88.1g/MM）: （ 134.4L/22.4L mol1） = 1 ： 4 （1 分）一一,一1I,Mm = 58.7g mol M 是 Ni （1 分）（共 2 分）（a）主要原因是混亂度（嫡）增加了（從表面化學(xué)鍵角度討論烙變、嫡變和

11、自由能變化也可）。（1分）（b）氧離子在氧化鋁表面作密置單層排列，饃離子有規(guī)律地填入三角形空隙（圖）（密置層1分，填隙1分，共2分）個(gè) “NiO” 截面:（2言）2sin120 =（2 M40 M0 12m）2sin120 = 6.79 10 2m2 （2 分）1m2Al2O3表面可鋪 NiO 數(shù):1m2/6.79 10 2m2= 1.47 M019 （1 分）相當(dāng)于：74.7g mol S1.47 1019m 2+ 6.022 M 023 mol 1 = 1.82 X0 3g（NiO）/m 2（Al 2O3）（1分）（共4分）（將1個(gè)“NiO”截面算成6.78X020 m2,相應(yīng)的1m2Al

12、2O3表面可鋪NiO數(shù)為1.48 M019,不扣分。（2006年）第11題（11分）磷化硼是一種受到高度關(guān)注的耐磨涂料，它可用作金屬的表面保護(hù)層。磷化硼可由三澳化硼和三澳化磷在氫氣中高溫反應(yīng)合成。11-1.寫(xiě)出合成磷化硼的化學(xué)反應(yīng)方程式。 TOC o 1-5 h z BB3+PB3+3H2=BP+6HBr（1 分）11-2.分別畫(huà)出三澳化硼分子和三澳化磷分子的結(jié)構(gòu)。BrBP BrBr BrBr Br,Br Br（回不回磷上的孤對(duì)電子不影響得分）平面三角形三角錐（2分）11-3磷化硼晶體中磷原子作立方最密堆積，硼原子填入四面體空隙中。 畫(huà)出磷化硼的正當(dāng)晶胞示意圖。（注：填入另外四個(gè)四面體空隙也可

13、，但不能一層空一層填）（2分）11-4已知磷化硼的晶胞參數(shù)a = 478 pm,計(jì)算晶體中硼原子和磷原子的核間距（cIb-p =113a = 1、3 478pm = 207pm4411-5 畫(huà)出磷化硼正當(dāng)晶胞沿著體對(duì)角線方向的投影（用實(shí)線圓圈表示 P原子的投影，用虛線圓圈表示（4分）（2007）第6題（12分）尿素受熱生成的主要產(chǎn)物與B原子的投影）NaOH反應(yīng)，得到化合物 A （三鈉鹽）。A與氯氣反應(yīng)，得到化合物 B,分子式QN3QCI3。B是一種大規(guī)模生產(chǎn)的化工產(chǎn)品，全球年產(chǎn)達(dá)40萬(wàn)噸以上，我國(guó)年10-1畫(huà)出化合物A的陰離子的結(jié)構(gòu)式。生產(chǎn)能力達(dá)5萬(wàn)噸以上。B在水中能持續(xù)不斷地產(chǎn)生次氯酸和化合

14、物C,因此廣泛用于游泳池消毒等。10-210-310-4寫(xiě)出上述尿素受熱發(fā)生反應(yīng)的配平方程式。畫(huà)出化合物B的結(jié)構(gòu)式并寫(xiě)出它與水反應(yīng)的化學(xué)方程式?；衔顲有一個(gè)互變異構(gòu)體，給出 C及其互變異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)式。Si（OH） 4。2007第7題（12分）通常，硅不與水反應(yīng)，然而，弱堿性水溶液能使一定量的硅溶解，生成1-1已知反應(yīng)分兩步進(jìn)行，試用化學(xué)方程式表示上述溶解過(guò)程。早在上世紀(jì)50年代就發(fā)現(xiàn)了 CH5+的存在，人們?cè)岢鲈撾x子結(jié)構(gòu)的多種假設(shè)，然而，直至1999年,才在低溫下獲得該離子的振動(dòng) -轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，并由此提出該離子的如下結(jié)構(gòu)模型：氫原子圍繞著碳原子快速轉(zhuǎn)動(dòng)；所有C-H鍵的鍵長(zhǎng)相等。1-2該離子的

15、結(jié)構(gòu)能否用經(jīng)典的共價(jià)鍵理論說(shuō)明？簡(jiǎn)述理由。1-3該離子是（）。A.質(zhì)子酸 B.路易斯酸C. 自由基 D.親核試劑2003年5月報(bào)道，在石油中發(fā)現(xiàn)了一種新的烷燒分子，因其結(jié)構(gòu)類似于金剛石，被稱為“分子鉆石” 若能合成，有可能用做合成納米材料的理想模板。該分子的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：1-4 該分子的分子式為 ;1-5 該分子有無(wú)對(duì)稱中心？ 1-6 該分子有幾種不同級(jí)的碳原子？ 1-7 該分子有無(wú)手性碳原子？ 該分子有無(wú)手性? 第2題（13分）化合物SOCl2是一種液態(tài)化合物，沸點(diǎn)77C,實(shí)驗(yàn)室中可用 CaSO3和PCl5混合共熱制備。在工業(yè)生產(chǎn)和化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，SOC12是一種重要的化學(xué)試劑。在盛有 10mL

16、水的錐形瓶中小心地滴加 810滴SOC12, 可觀察到反應(yīng)劇烈發(fā)生，液面上有白霧形成，并逸出刺激性氣味的氣體。1,寫(xiě)出CaSO3與PCl5共熱制備SOCl2的化學(xué)方程式。.寫(xiě)出SOCl2與H2O完全反應(yīng)的化學(xué)方程式。.設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證你寫(xiě)出的化學(xué)方程式是正確的。（只需給出實(shí)驗(yàn)原理和現(xiàn)象，無(wú)須描述實(shí) 驗(yàn)儀器和操作）4,工業(yè)上往往用ZnCl2 , 3H2O和SOC12混合共熱來(lái)制取無(wú)水 ZnCl?。說(shuō)明該種制法可行性的原因。. SOC12在有機(jī)化學(xué)中作氯化齊Jo寫(xiě)出苯甲酸和SOC12反應(yīng)的化學(xué)方程式。.為了使（5）生成的有機(jī)物與混溶在其中的過(guò)量的SOC12分離，可以采用的分離操作是 。. CaSO3 + 2PC15= CaC12+ 2POC13 + SOC12 （2 分）. SOC12+H2O = SO2+2HC1 （2分）.向水解產(chǎn)物的水溶液中通入H2s氣體有淡黃色（硫磺）沉淀析出