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科普| 关于中国化学奥林匹克竞赛题 你需要了解哪些?

发布时间:2020年04月20日 来源:中国化学会

2019年12月4日上午,由中国化学会主办,河南科协、河南省教育厅指导,河南省化学学会、郑州大学化学院共同承办的第33届中国化学奥林匹克(决赛)暨冬令营顺利闭幕,闭幕式暨颁奖典礼在郑州师范学院嵩山学堂隆重举行。闭幕式上共颁发一等奖金牌107枚,二等奖银牌143枚,三等奖铜牌84枚。

为了深入了解中国化学奥林匹克,下面跟着我一起来分析下第33届中国化学奥林匹克(决赛)理论题第一题。(15分)

 

图1.1 示出了一种结构有趣的“糖葫芦”分子。其中ABC和D四种元素位于同一主族的相邻周期,B的电负性大于D。C可分别与A、B、D形成二元化合物。C和E可形成易挥发的的化合物CE3,CE3在工业上可用于漂白和杀菌。A和E可形成化合物AE3(bq. 76 ℃)。AE3的完全水解产物之一X是塑料件镀金属的常用还原剂。A、C和E可形成含有六元环的化合物A3C3E6。在氯仿中,D和E可结合两个甲基形成化合物DE3Me2

 

图1-1

1-1 写出A、B、C、D和E所代表的元素。1-2 写出“糖葫芦”分子中A和C的杂化轨道。1-3 画出处于最高氧化态A与元素E组成的分子的结构图,写出该分子中的对称元素(具体类型)。

1-4 画出DE3Me2的所有可能的立体异构体。

1-5 指出X属于几元酸,写出弱酸介质中硫酸镍被其还原的反应方程式。

 

联合国宣布2019年为国际元素周期表年,为了庆祝俄国化学家迪米特里·门捷列夫(Dimitri Mendeleev)排列的元素周期表150 周年。因而,这次竞赛理论题以元素推断题开启。

 

答案与解析“84消毒液”是工业以及生活中非常常见的高效消毒剂,其主要成分为次氯酸钠(NaClO),NaClO本身没有消毒效果,是因为水解可以产生有消毒效果的HClO(次氯酸)。HClO是一种极弱的酸,但是具有极强的氧化性,可以将物质氧化,使其变性,从而达到消毒的作用。其水解原理如下:

NaClO+H2O→NaOH+HClO

空气中的二氧化碳(CO2)也可以参与到该反应中:

NaClO+CO2+H2O→NaHCO3+HClO

根据这个,我们题目中CE3在工业中用于消毒和杀菌,则说明有HClO的产生,可以推断出有Cl元素,为E。CE3在工业上可用于漂白和杀菌,我们可以推断CE3为NCl3,可以推断C为N元素。NCl3为黄色、油状、具有刺激性气味和挥发性的液体,化学性质活泼,易水解生成胺和强氧化剂HClO其原理为:

NCl3+3H2O→NH3+3HClO

生成的NH3又被会HClO氧化生成N2,故总反应式为:

2NCl3+3H2O→N2+3HCl+3HClO

化学镀镍是化学镀中发展最快的一种。镀液一般以硫酸镍、乙酸镍等为主盐,亚磷酸、硼氢化钠、硼烷、肼等为还原剂,在添加各种助剂,在90℃的酸性溶液中或者接近常温的中性溶液、碱性溶液中进行化学反应。依据还原剂的不同可以分成化学镀镍-磷、化学镀镍-硼两大类。镀层在均匀性、耐腐蚀性、硬度、可焊性、磁性以及装饰性上都显示出优越性能。其原理为:在催化剂(常用Fe)的催作用下,溶液中的次亚磷酸根在催化表面催化脱氢,形成活性氢化物,并被氧化成亚磷酸根;活性氢化物与溶液中的镍离子进行还原反应而沉积Ni。

2H2PO2+2H2O+Ni2+→Ni↓+H2↑+4H++2HPO32–

与此同时,溶液中的部分次亚磷酸根被氢化物还原成单质磷进入镀层。即:

H2PO22–+H+→P+H2O+OH

所形成的化学镀层是Ni–P合金,呈非晶态簿片结构。

A、B、C和D四种元素位于同一主族相邻周期,可以得知为第五主族VA,根据电负性大小依次为N、P、As、Sb、Bi。由此可以推断A为P元素,PCl3 (三氯化磷)是无色澄清的发烟液体,沸点76℃,做为催化剂、磷的溶剂以及氯化剂广泛用于用于农药、医药、染料工业等领域。PCl3 露于潮湿空气中,完全水解成亚磷酸和氯化氢,其原理为:

PCl3+3H2O→3HCl+H3PO3

B的电负性大于D,又处于同一主族相邻周期,因而最终可以推断出B为As,D为Sb。

1-1 根据以上分析,A为P,B为As,C为N, D为Sb, E为Cl。(各1分)

1-2 A为sp2杂化,C为sp3杂化。(各1分)

杂化轨道的类型和分子空间构型是紧密相关的。sp杂化为线性分子,比如乙炔和二氧化碳,sp2杂化为三角平面型,比如三氟化硼和乙烯,sp3杂化则为正四面体,比如甲烷等。根据“糖葫芦”的分子结构,我们可以推断出A为sp2杂化,C为sp3杂化。

1-3 PCl5

 

4个镜面,1个三次旋转轴和3个两次旋转轴。(每正确答对一个对称元素的类型得1分)

1-4 DE3Me2得分子式为: SbCl3Me2

 

(每写对一个为0.5分,共1.5分)

1-5 X为H3PO二元酸(1分)

亚磷酸的结构式中只有―OH中得氢可以电离,因而为二元酸。其方程式:

NiSO4+H3PO3+H2O→Ni+H3PO4+H2SO4

(写对化学反应方程式得1.5分,写成离子反应方程式不得分)

 

可以看出,中国化学奥林匹竞赛理论题都是综合分析题,每题涵盖的知识点非常丰富、全面。这就需要同学们平时多积累有关化学方面的知识以及常识。题目到这就全部分析解答完了。不知道大家看了这道题目,对照公布的题目分析与答案,能得几分?那些参加冬令营的“大神”们很多都是满分!

 

中国化学奥林匹克竞赛简介

 

中国化学奥林匹克竞赛成四个阶段:预赛→初赛→决赛→IChO(国际化学奥林匹克竞赛)。一般省级预赛每年3月~5月举行,全国初赛8月底9月初举行以及决赛暨冬令营11月底12月初举办。

每个国家最终会派出4名学生组队参加国际化学奥林匹克(IChO),IChO是世界上规模和影响最大的中学生化学学科竞赛活动,现今已有80多个国家和地区参加这项活动,每年在7月份进行,由参赛国中的一国主办。中国将在决赛暨冬令营中选出特别优秀的同学组成国家集训队进行短期集训,并通过最终的测试从中选出4名最优秀的同学组成国家代表队,代表中国参加国际化学奥林匹克(IChO)。

在第33届中国化学奥林匹克(决赛)暨冬令营上,中国化学会秘书长范青华致辞,他向获奖同学们表示祝贺,并与大家共同分享了经过紧张的答辩陈述和最终票选,中国获得了2022年第54届国际化学奥林匹克竞赛的承办权。这是继1995年在北京大学举办国际化学奥林匹克后,时隔27年国际青年化学爱好者的盛会重返中国。他同时勉励同学们在今后的工作和生活中继续保持对化学的兴趣和热情,传播化学知识,改变社会公众对化学的误解。

 

南开大学梁广鑫教授代表中国做申办陈述

 

最后,给大家留一道在2018年7月在斯洛伐克布拉迪斯拉发和捷克布拉格举办的第50届国际化学奥林匹克竞赛理论题第7题―西多福韦。这一道是关于有机合成化学推断题,考考大家的有机合成基础如何,能取得多少分?(答案下期公布)

 

7-1 画出化合物A–D的结构式,包括立体化学。一个A分子产生两个B分子。

7-2 画出化合物3的所有其他异构体的结构式——这些异构体可用于相同的反应过程,仅生成相同的产物2。

二醇2可以进一步修饰并转化为化合物1。用于将化合物F转化为G的磷酸酯4的合成将在后面讨论。

 

7-3画出化合物E–I的结构式,包括立体化学。用缩写MMT表示4-甲氧基苯基二苯基甲基((4-methoxyphenyl)diphenylmethyl)基团。

磷酸酯4可以通过以下合成路线制备:

 

7-4 画出化合物J–L的结构式。

化合物I(来自题目7-3 )与胞嘧啶(5)反应得到一种异构体M 和N的比例为3:1 的混合物。这两种产物的形成可以理解为,胞嘧啶(5)也可异构化为具有芳香性的互变异构体P,因而产生两种产物。M与1,4-环己二烯及氢氧化钯/碳反应生成化合物O。化合物O中的磷酸酯部分进一步与三甲基溴硅烷反应生成西多福韦(1)。

 

7-5画出两个异构体M和N以及化合物O的结构式,包括立体化学;画出胞嘧啶(5)的具有芳香性的互变异构体P的结构式。M至O的转变过程是去保护基团。

7-6画出Q(来自环己二烯)和R(来自保护基)的结构式,它们是M到O的转化过程中生成的两个简单的有机副产物。

 

(来源:化学通讯微信公众号,闵阳/撰稿)