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第三十八屆國際化學奧林匹亞競賽選訓營

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Academic year: 2021

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(1)

第三十八屆國際化學奧林匹亞競賽選訓營

初選試題

臺灣參加南韓

38th IChO 2006 競賽工作小組

國立臺灣師範大學 化學系

第壹 部 分: 選 擇題 ( 佔

60%)

一、單選題(每題答對得 3 分,答

錯倒扣 1 分,共 30 分)

1~4 為 題 組 化 學 反 應 常 伴 隨 著 能 量 的 變 化 , 而 以 熱 量 的 形 式 放 出 或 吸 收 的 能 量 通 稱 為 化 學 反 應 熱

(

H

)

。 反 應 熱 又 因 化 學 反 應 的 分 類 給 予 不 同 的 名 稱 。 物 質 1 莫 耳 ,由 其 成 分 元 素 化 合 生 成 時 的 反 應 熱 稱 為 生 成 熱 (∆Hf), 例 如 甲 烷 的 生 成 熱 : (s) 2(g) 4(g)

C + 2H

CH

H

f

= - kJ mol

x

而 物 質 1 莫耳 完 全 燃 燒 時 , 所 產 生的 熱 量 稱 為 燃 燒 熱

(

H

)

,例 如 甲 烷 的 燃 燒 熱 : 4(g) 2(g) 2(g) 2 (g)

CH

+ 2O

CO

+ 2H O

H

c

= - kJ mol

y

而 要 切 斷 分 子 內 特 定 的 結 合 鍵 時 , 所 吸 收 的 能 量 稱 為 鍵 結 能

(∆

H

)

, 例 如 : 4(g) (s) (g)

CH

C + 4H

H

=

z

在 甲 烷 要 切 斷 其 四 個

C-H

鍵 中 的 每 一 個

C-H

鍵 所 需 的 能 量 各 不 同,而 在 實 用 上 常 取 其 平 均 值,因 此

C-H

的 鍵 結 能 是 上式 中 總 鍵 結 能

z

的四 分 之 一 , 亦 即

∆ H = 4

z

。 下 列 兩 個 圖 中 的 數 據 分 別 表 示 水 與 二 氧 化 碳 各 1mol 分 解 時 , 能 量 變 化 的 示意 圖 , 其 中 的 各 數 據 係 以 kJ 為 單 位 所 表示 者。試 根 據 此 兩 圖 回 答 題 1~4( 答 案 要 選取 數 據 最 接 近 者 ):

.

2H + O

(g) (g)

C + 2O

(s) (g)

2 4 7

2H + 1/2 O

(g) 2(g)

4 9 4

C + O

(s) 2(g)

1 0 9

CO + 1/2 O

(g) 2(g)

4 3 6

2(g) 2(g)

H

+ 1/2 O

2 4 3

H O

2 (g)

2 8 5

CO

2(g) 圖 1、 水 1 mol 分 解 時 的 能 量 變 化 圖 2、 二 氧 化 碳 1 mol 分 解 時 的 能 量 變 化

(2)

1. 求

H O

2 (g)的 生 成 熱 為 幾

kJ mol

? (A) -243 (B) -247 (C) -436 (D) -463 (E) -679 2. 求

CO

(g)的 燃 燒 熱 為 幾

kJ mol

? (A) -109 (B) -285 (C) -394 (D) -494 (E) -603 3. 求

O-H

的 鍵 結 能 為 幾

kJ mol

? (A) 243 (B) 436 (C) 463 (D) 679 (E) 926 4. 求

CO + H O

(g) 2 (g)

CO

2(g)

+ H

2(g) 的 反 應 熱 為 幾 kJ? (A) -42 (B) 67 (C) -67 (D) 436 (E) -926 5. 工 業 上 製 造 硫 酸 常 使 用 五 氧 化 二 釩 為 催 化 劑,而 製 造 中 的 有 關 過 程,都 可 用 化 學 反 應 式 來 表 示。試 問 下 列 哪 一 反 應 最 難 進 行 , 須 用 五 氧 化 二 釩 來 催 化 ? (A)

S + 8 O

8( )s 2( )g

8 SO

2( )g (B)

2 SO

2( )g

+ O

2( )g

2 SO

3( )g (C)

SO

3( )g

+ H O

2 ( )l

H SO

2 4( )aq (D) SO3( )g + H SO2 4(conc)* → H S O2 2 7( )l (E) H S O + H O 2 2 7( )l 2 ( )l → 2 H SO2 4( )l * 表 示 98%的 濃 硫 酸 6. 一氧 化 氮 是 大 氣 污 染 物,嚴 重 危 害 人 體 健 康。倘 若 化 學 家 有 能 力 研 究 出 某 種 催 化 劑 , 使 其 在 適 當 的 溫 壓 下 , 能 使 NO 與 過 量 的 甲 氣 體 在 密 閉 的 反 應 室 作 用,將 NO 轉 變 為 無 害 的 氣 體,並 且 可 避 免 二 次 環 境 污 染。試 問 最 有 可 能 的 甲 氣 體 是 下 列 的 哪 一 種 ? (A)

SO

2 (B)

H S

2 (C)

CH

4 (D)

NH

3 (E)

NO

2 7. 物質 甲 會 有 下 列 的 現 象 或 反 應 : (1).物 質 甲 溶 於 稀 鹽 酸得 乙 溶 液 (2).乙 溶 液 中 加 入 硝 酸銀 並 攪 拌 後,過 濾 得 丙 溶 液 (3).丙 溶 液 中 加 入 不 足量 的 鋅 粉,攪 拌 後 過 濾 得 沉 澱 丁 (4).沉 澱 丁 與 氧 反 應 即得 物 質 甲 試 問 : 物 質 甲 是 什 麼 ?

(A)

Cu

(B)

CuO

(C)

ZnO

(D)

MgO

(E)

Mg

8. 下列 分 子 化 合 物 中 , 何 者 的 沸 點 最高? (A) 丙醛(MW = 58) (B) 丙 酮(MW = 58) (C) .2-丙 醇(MW = 60) (D) 醋酸(MW = 60) (E) 丁 烷 (MW = 58) 9. 分子 式 為 C7H7Br 的 芳 香 族 化 合 物 ,共 有 幾 種 異 構 物? (A) 2 種 (B) 3 種 (C) 4 種 (D) 5 種 (E) 6 種 10. 某 酯類 C8H16O2 經 水 解 後 , 所 得 的 醇 再 用 KMnO4氧 化 , 結 果 得 到 的 酸 與 原 水 解 得 到 的 酸 相 同 。 此 酯 的 結 構 為 何? (A) CH3CH2CH2COOCH2CH2CH2CH3 (B) CH3CH2CH2CH2COOCH2CH2CH3 (C) CH3CH2COOCH2CH2CH2CH2CH3 (D) CH3CH2COOCH2CH2CH3 (E) CH3CH2CH2CH2COOCH2CH2CH3

(3)

二、 多選 題 (每 題

3 分,共 30 分)

11. 某 三 價 金 屬 M 能 與 酸 反 應 產 生 氫 氣 。 已 知 2 莫 耳 的 金 屬 M 與 某 酸(HnA, n 為 小 於 3(含 3)的 正 整 數)完 全 反 應,可 得3 莫 耳 的 氫氣,之 外 可 得 一 鹽 類,則 下 列 選 項 中 的 化 學 式,哪 些 符 合 題 意 ? (A)

MA

(B)

M A

2 (C)

M A

3 2 (D)

M A

2 3 (E)

MA

3 12. 下 列 分 子 或 離 子 中 氮 原 子 的 鍵 結 軌 域 , 有 哪 些 是 屬 於 sp2 混 成 軌 域? HC HC CH CH H N N H H H H H H H H H (A) (B) (C) NO3 HC HC N CH CH H C (E) NH3 (D) 13.下列 各 反 應 中,不 生 成 醇 類 產 物 的 有哪 些? (A) 丁酸 丙 酯 的 水 解 (B) 在 酸 性 條 件 下 2-戊 烯 與 水 的 作 用 (C) 丙 醛 與 多 侖試 劑 反 應 (D) 利用 鎳 金 屬 催 化 丁 酮 與 氫 氣 的 反 應 (E) .2-甲 基-2-溴 丙 烷 與 水 反 應 14. 下 列 各 物 質 中 含 有 葡 萄 糖 結 構 單 元 的 有 哪 些? (A) 澱粉 (B) 麥芽 糖 (C) 乳 糖 (D) 纖維 素 (E) 果 糖 15.下列 有 關 碳 的 同 素 異 形 體 的 敘 述,何 者 正 確 ? (A) 目 前 已 知 有 四 種 碳 的 同 素 異 形 體 , 即 石 墨 、 金 剛 石(鑽 石 )、 碳 六 十 、 奈 米 碳 管 (B) 奈 米 碳 管 與石 墨 應 屬 於 同 一 種 物 質 (C) 碳 六 十 是 二 十 個 六 員 環 與 十 二 個 五 員 環 組 成 的 分 子 化 合 物 (D) 根 據 石 墨 的 性 質 判 斷 , 奈 米 碳 管 應 屬 電 的 導 體 (E) 一 般 環 境 中 , 石 墨 很 難 轉 變 成 金 剛 石 是 因 為 此 反 應 極 度 吸 熱 (∆H>500KJ/mol) 16. 下 列 有 關 H2CCH2、H2CCCH2、 及 H2CCCCH2三 個 化 合 物 鍵 結 的 敘 述,何 者 正 確 ? (A) 所 有 不 與 氫 原 子 鍵 結 的 碳 原 子 均 為 sp 混 成 (B) 所 有 與 氫 原 子 鍵 結 的 碳 原 子 均 為 sp2混 成 (C) 三個化合物中只有乙烯沒有共振結構 (D) 三個 化 合 物 的 碳 鏈 均 為 直 線 結 構 (E) 三 個 化 合 物 均 為 平 面 分 子 17.在一 容 器 中 使 0.02 mol/L 過 氧 化 物 A 發 生 分 解,反 應 物 濃 度 A 隨 時 間 改 變 的 圖 形 如 下 所 示 , 下 列 敘 述 何 者 正 確 ? mol/L 0 200 0.02 0.00 100 0.01 時 間(分 鐘 )

(4)

(A) 此反 應 屬 於 一 級 反 應 (B) 此反應的半生期隨 A 濃度的下降而增長 (C) 此 反 應 的 反 應 速 率 常 數 約 為 1×10-4 min-1 (D) 此 反 應 的 反 應 速 率 常 數 約 為 2.0 min-1 (E) 此 反 應 的 初 速 率 約 為 0.0004±0.0001 mol/L. min 18. 下 列 關 於 下 圖 中 結 構 的 敘 述 , 何 者 正 確 ?

X

Y

(A) 此 圖 結 構 是 依 ABCABC… 的 重 複 順 序 堆 積 (B) 此 圖 結 構 屬 於面 心 立 方 排 列 (C) 此 圖 結 構 屬 於立 方 最 密 堆 積 (D) X 與 Y 原 子 可 屬 於 相 同 的 層 (E) 此 結 構 可 旋 轉一 個 適 當 角 度 , 使 X 原 子 恰 在 Y 原 子 的 垂 直 上 方 19.下圖 為 一 張 氫 原 子 放 射 光 譜,下 列 敘 述 何 者 正 確 ? 可見光 紫外光 1 2 3 (A) 可 見 光 左 邊 的 譜 線 區 , 頻 率 的 數 量 級 為 1014 Hz (B) 可 見 光 區 左 邊 的 譜 線 基 礎 態 皆 為 n = 3 (C) 紫 外 光 區 與 可 見 光 區 的 最 左 一 條 譜 線 有 相 同 的 激 發 態 (D) 紫 外 光 區 與 可 見 光 區 的 最 右 一 條 譜 線 有 相 同 的 基 礎 態 (E) 紫 外 光 區 最 左 一 條 譜 線 1 的 波 長 為 121.6 nm, 譜 線 3 的 波 長 為 97.3 nm, 則 譜 線 2 的 波 長 約 為 103 nm 20.下圖 是 一 水 溶 液 在 pH 值 0~14 的 範 圍 內,H2CO3、HCO3–、CO32–三 種 成 分 平 衡 時 的 組 成 百 分 率 , 下 列 敘 述 何 者 正 確 ? (A) 此圖可完全根據 1.0 MHCl 溶液滴定 1.0 M 碳酸鈉溶液的實驗數據繪出 (B) 1.0 MHCl 溶液 滴 定 1.0 M 碳 酸 鈉 溶 液 的 當 量 點 為 中 性 (C) 當 pH 值 在 6.37 及 10.25 時 為 碳 酸 鈉 的 緩 衝 溶 液 區 (D) 在 pH 為 pKa1及 pKa2時 , 溶 液 中 [H2CO3] = [HCO3–] = [CO32–] (E) 二 氧 化 碳 溶 在 血 液 中 多 以 H CO3– 的 形 式 存 在

(5)

第貳 部 份: 非 選 擇題

(共四大題, 佔 40%)

(作 答 必 須 標 明 題 號 ,提 供 必 要 之 常 數 與 資 訊, 考 生 不 得 使 用電 子 計 算 機, 共 40 分 ) 一 、 某 有 機 物(液 體 )含 有 碳 、 氫 、 氧 。 經 元 素 分 析 得 碳 64.8%、氫 13.5%。為 了 要 知 道 該 有 機 物 的 化 學 式 , 王 同 學 先 做 了 下 列 的 實 驗 , 以 便 計 算 出 該 有 機 物 的 大 約 分 子 量 。 1. 取 一 個 長 頸 燒 瓶 , 瓶 口 塞 住 一 個 中 間 有 一 短 玻 璃 管 的 橡 膠 瓶 塞 , 如 圖 1 中 的 燒 瓶 , 稱 重 得 210.50 克 。 2. 在 室 溫 20 ℃ 將 燒 瓶 裝 滿 清 水 並 用 原 來 的 橡 皮 塞 塞 住 瓶 口 後,置 於92℃ 的 恆 溫 槽(水 浴 )一 段 相 當 長 的 時 間 , 使 瓶 內 的 清 水 也 保 持 92℃ 恆 溫。然 後 取 出 燒 瓶置 於 桌 上 。 冷 卻 擦 乾 瓶 子 , 稱 重 得 745.10 克 。 3. 倒 出 燒 瓶 內 的 清 水 , 烘 乾 燒 瓶 , 確 認 瓶 內 完 全 乾 燥 後 , 將 該 有 機 物 液 體 約 6 毫 升 倒 入 燒 瓶 內 , 塞 住 橡 皮 塞 後 , 再 將 燒 瓶 置 於 92 ℃ 恆 溫 槽 , 即 見 液 體 完 全 氣 化 。 4. 取 出 燒 瓶 後 置 於 室 內 桌 面 , 即 見 隨 溫 度 下 降 , 瓶 底 出 現 液 滴 。 又 將 瓶 外 擦 乾 後 稱 重 , 得 211.81 克 。 已 知 實 驗 當 天 的 大 氣 壓 為 730mmHg,清 水 在 92℃ 的 密 度 為 0.972 克/ 毫 升 。( 本 題 的 計 算 均 要 列 出 計 算 式 子 , 儘 量 先 約 分 , 並 了 解 計 算 的 目 的 , 可 簡 化 計 算) ( 1 5 % ) (1) 試 求 燒 瓶 在 92℃ 時 的 容 積 ( 瓶 內 的 體 積)。(2 分) (2) 試 求 該 有 機 物 的 分 子 量(假 定 當 液 體 完 全 氣 化 後 , 燒 瓶 內 的 氣 體 全 是 該 有 機 物 的 蒸 氣)並 寫 出 該 有 機 物 的 分 子 式 與 精 確 分 子 量 。(6 分) (3) 寫 出 該 有 機 物 的 可 能 異 構 物 ( 為 了 簡 化 , 除 了 官 能 基 以 外 的 H 均 應 省 略 , 例 如 異 丙 醇 (2 - 丙 醇 ) , 應 寫 成 ) (5 分) (4) 要 推 估 該 有 機 物 的 結 構 式 , 還 需 要 再 做 什 麼 實 驗(限 定 在 高 中 的 一 般 化 學 實 驗 室 即 可 做 的 實 驗 。 使 用 貴 儀 不 給 分)?(2 分) (註:原子量 H=1.008 C=12.01 O=16.00) | | C C C OH C | 溫度計 恆溫槽 長頸燒瓶 圖 1 長頸燒瓶與恆溫槽示意圖

(6)

二. 利 用 質 譜 儀 來分 析 分 子 結 構 已 經 成 為 現 代 化 學 重 要 的 技 術 , 其 原 理 為 利 用 電 子 撞 擊 分 子(M)使 它 產 生 陽 離 子 團 (M+)或 分 子 裂 解 產 生 的 陽 離 子 團 在 磁 場 飛 行 的 差 異 , 而 偵 測 各 種 離 子 , 下 圖 為 氯 甲 烷 的 質 譜 分 析。 圖 譜 的 橫 座 標 為 質 量 與 電 荷 比(m/z),縱 座 標 為 強 度 代 表 所 產 生 粒 子 數 的 多 寡 。 氯 甲 烷 的 質 譜 分 析 中 ,m/z = 15 是 氯 甲 烷 經 過 裂 解 產 生 甲 基 陽 離 子[CH3]+的 訊 號 , 而 m/z = 50 與 52 則 是 氯 甲 烷 陽 離 子[CH3Cl]+的 訊 號 。 利 用 圖 譜 資 料 , 說 明 自 然 界 中 氯 的 同 位 素 為 何? 且 其 含 量 比 為 何?(6%) (6 分) 三. 實 驗 室 有 一 瓶 酚 (C6H5OH) 與 環 己 醇 (C6H11OH)的 混 合 物 重 97 克 。 某 學 生 取 0.97 克 的 樣 品 放 入 50 mL 的 水 中, 加 入 數 滴 的 酚 酞 , 用 1.0 M 的 NaOH 溶 液 滴 定 。 經 加 入 5.0 mL 的 1.0 M NaOH 溶 液 後, 使 溶 液 變 成 桃 紅 色 。 於 是 學 生 取 48.5 克 的 混 合 物,加 入 3 M NaOH 溶 液 50 mL, 然 後 加 入 乙 醚 70 mL ,經 過 搖晃 萃 取 後,溶 液 分 成 兩 層 , 分 離 了 有 機 層 ; 之 後 再 加 入 乙 醚 70 mL 至 水 層 溶 液 萃 取 一 次 , 分 離 後 將 兩 次 萃 取 的 有 基 層 合 併 , 加 熱 將 溶 劑 蒸 發 , 得 到 的 殘 留 物 中 卻 發 現 還 有 8.5 克 的 酚 。(9%) [酚的 pKa = 9.95] [ C =12.0; H = 1.0, O = 16.0, Na =23.0] (1) 請 問 此 瓶 藥 劑 中 含 有 環 己 醇 幾 克 ? (3 分) (2) 此 分 離 的 過 程 , 是 利 用 何 種 原 理 ? 即 學 生 為 什 麼 要 加 NaOH 溶 液 到 混 合 物 中 再 用 乙 醚 萃 取? (3 分) (3) 這 個 分 離 效 果 非 常 不 好 , 其 主 要 原 因 為 何?(3 分) 四. 下 圖 是 兩 個 高 溫 超 導 物 質 的 單 位 晶 格 結 構 (10%) (A) (B) (1) 決 定 物 質 A 的 化 學 式 。(3 分) (2) 決 定 物 質 B 中 Mg 及 B 原 子 的 氧 化 數 。(4 分) (3) 畫 出 物 質 B 中 硼 原 子 部 分 的 電 子 點 式 。(3 分) 質量/電荷比 (m/z 強 度 50 52 0 15 100 35

參考文獻

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