Đề thi Olympic Hóa học Lớp 12 sách Cánh diều - Năm học 2017-2018

Nội dung text: Đề thi Olympic Hóa học Lớp 12 sách Cánh diều - Năm học 2017-2018

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRƯỜNG THPT CHUYÊN KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐỀ THI OLYMPIC CHUYÊN KHOA HỌC TỰ NHIÊN 2018 Môn thi: HÓA HỌC (03 trang) Thời gian: 180 phút Ngày thi thứ nhất: 05/05/2018 Câu 1 (4,5 điểm) Khi một nguyên tử X hấp thụ một bức xạ với một photon có năng lượng lớn hơn năng lượng ion hóa của nguyên tử, nguyên tử sẽ bị ion hóa tạo thành ion X+ đồng thời một electron tách ra (gọi là photoelectron). Khi đó, năng lượng được bảo toàn như chỉ ra trong hình trái dưới đây, tức là: Năng lượng của photon (h) = năng lượng ion hóa (IE) của nguyên tử X + năng lượng động học của photoelectron. Khi một phân tử, chẳng hạn H2, hấp thụ một tia sáng có bước sóng ngắn thì một photoelectron tách ra cùng với sự hình thành một ion H2 với các trạng thái dao động khác nhau. Phổ photoelectron là đồ thị mô tả sự phụ thuộc cường độ photoelectron vào năng lượng động học của nó. Hình bên phải cho một phổ photoelectron điển hình, khi H2 ở mức dao động thấp nhất hấp thụ một bức xạ đơn sắc có năng lượng 21,2 eV. Không có photoelectron có năng lượng cao hơn 6 eV. a) Xác định độ chênh lệch năng lượng EA1 (eV) giữa H2 (v = 0) và H2 (v ion 0). Trong đó v và vion là các số lượng tử dao động của H2 và H.2 b) Xác định độ chênh lệch năng lượng EA2 (eV) giữa H2 (v ion 0)vàH 2 (v ion 3). H c) Các mức năng lượng electron của nguyên tử hiđro En được cho bởi phương trình R EH y (n 1,2,3 ). Trong đó n là số lượng tử chính, R là một hằng số có thứ nguyên năng lượng. n n2 y Chênh lệch năng lượng từ mức n = 1 đến mức n = 2 của nguyên tử hiđro là 10,2 eV. Xác định năng lượng ion hóa EB (eV) của nguyên tử hiđro. d) Ngưỡng năng lượng để hình thành hai nguyên tử hiđro có electron ở trạng thái bị kích thích H* (n=2) từ một phân tử H2 (v = 0) thu được từ thực nghiệm bằng 24,9 eV. Xác định năng lượng liên kết EC (eV) của phân tử H2. e) Xây dựng một chu trình năng lượng để tính năng lượng liên kết ED (eV) của H.2 f) Tính giá trị năng lượng EE (eV) của phản ứng ion hóa nối tiếp ngay sau quá trình phân li được biểu E?E * diễn bởi phương trình sau: H2  H (n 2) H e . g) Khi khí H2 hấp thụ một tia sáng đơn sắc có năng lượng 21,2 eV, quá trình phân ly dưới đây xảy ra 21,2eV ngay lập tức: H2  H(n 1) H(n 1). Hai nguyên tử hiđro chuyển động theo hai chiều ngược nhau với cùng vận tốc. Xác định vận tốc v (m/s) của các nguyên tử hiđro sinh ra trong phản ứng trên. (Giả thiết phân tử hiđro ban đầu được giả định là đứng yên). 1
2. Câu 2 (3 điểm) Phản ứng của 24,72 g hợp chất hai nguyên tố chứa clo với 10,88 g amoniac thu được hỗn hợp các sản phẩm gồm 25,68 g amoni clorua; 2,56 g nguyên tố A dạng rắn và 7,36 g tinh thể màu vàng là một nitrua của nguyên tố A. Phản ứng được mô tả: nAwClx + mNH3 pNH4Cl + qA + rAyNz Hợp chất nitrua trên dễ nổ, dễ polyme hóa thành dạng màu đồng khi đun nóng, polyme tạo thành có khả năng dẫn điện giống kim loại. A cũng rất dễ bị polyme hóa khi đun nóng cho các phân tử có khối lượng cao hơn. Xác định hợp chất ban đầu, viết các phản ứng xảy ra và biểu diễn cấu trúc AyNz. Câu 3 (4,5 điểm) Cân bằng axit-bazơ có vai trò vô cùng quan trọng trong cơ thể sống, các hệ đệm trong máu đảm bảo pH phải được ổn định, hệ đệm quan trọng nhất là đệm bicacbonat, các thành phần trong đó được điều chỉnh thêm bởi phổi và thận. Các thông tin của cacbonic: hằng số axit tại 37oC pK 6,1; tại 25oC pK 6,35; hằng số a,37o C a,25o C cp 4 3 1 Henry của cacbonic trong máu Ho 2,3.10 mol.m .Pa ; enthalpy hóa hơi cacbonic trong CO2 ,37 C 1 máu H 19,95kJ.mol và coi như nồng độ axit cacbonic [H2CO3] = 0. hh CO2 ,máu 1) Trong cơ thể con người, trung bình mỗi ngày đào thải khoảng 60 mmol thải vào 6 L máu. Để đơn giản, xem xét máu là hệ đệm bicacbonat, coi hệ là kín với thành phần ban đầu chỉ chứa đệm bicacbonat với pH 7,4; áp suất khí cacbonic ban đầu p 5,3 kPa. Tính pH tại 37oC sau khi cơ thể sinh ra CO2 lượng axit hấp thụ hoàn toàn vào máu. 2) Thực tế, máu tốt nhất được xem xét là một hệ mở; trong điều kiện áp suất riêng phần của cacbonic giống phần 1 (do hô hấp). Tính giá trị pH cuối cùng cho hệ đệm bicacbonat tiếp xúc với cacbonic sau khi thêm 60 mmol axit. Giá trị pH có rơi vào phạm vi cơ thể sống không, giải thích. 3) Trong quá trình phẫu thuật tim, nhiệt độ bệnh nhân được hạ thấp hơn để ngăn ngừa tổn thương não và làm chậm quá trình trao đổi chất. Tính pH tại 20oC của máu, cho rằng điều kiện về áp suất khí cacbonic và nồng độ ion bicacbonat vẫn giữ như trên. 4) Tầm quan trọng của việc điều chỉnh pH trong phạm vi rất hẹp sẽ làm ảnh hưởng đến các yếu tố khác trong điều kiện sinh lý. Ví dụ quá trình vận chuyển oxi trong máu thông qua hợp chất trung gian với hemoglobin, tuy nhiên hemoglobin có ái lực thấp với oxi khi giá trị pH thấp. Trong hoạt động thể chất, pH trong cơ bị giảm do quá trình chuyển hóa yếm khí. Mặt khác, cacbonic bị loại bỏ khỏi máu tại phổi. Hãy cho biết quá trình đào thải cacbonic có vai trò thế nào đến quá trình vận chuyển oxi thông qua hợp chất trung gian hemoglobin. Câu 4 (3,5 điểm) Nathan Thompson là một trong những cư dân đầu tiên của đảo Lord Howe đã trồng trong vườn nhà mình một số cây sồi châu Âu. Tuy nhiên người ta không thể biết chính xác thời gian đã trồng vì sổ ghi chép bị thất lạc. Phía sau nhà Nathan có một cái hồ nhỏ. Qua nhiều năm, lá cây sồi châu Âu và các hạt 210 tích tụ ở đáy hồ. Một lượng rất nhỏ đồng vị phóng xạ Pb (chu kỳ bán hủy, t1/2 = 22,3 năm) cũng đồng thời lắng đọng. Biết rằng cây sồi châu Âu rụng lá ngay từ năm đầu tiên. Năm 1995 một nhóm nghiên cứu lấy mẫu đất bùn từ đáy hồ. Đất bùn được cắt thành những lát dày 1 cm và khảo sát trầm tích và chì phóng xạ 210Pb. Quá trình khảo sát đất bùn cho thấy: Trầm tích của sồi châu Âu và hạt của nó tìm thấy đầu tiên ở độ sâu 50 cm. Độ phóng xạ của 210Pb ở bề mặt đất bùn là 356 Bq/kg, ở độ sâu 50 cm là 1,4 Bq/kg. 1) Nathan Thompson đã gieo hạt năm nào. Chì phóng xạ 210Pb là một trong những phân rã của 238U. 238U có trong vỏ trái đất và do một số nguyên nhân, một lượng nhất định 210Pb thoát vào khí quyển và bám vào các phần tử trầm tích lắng đọng dưới đáy hồ. Chuỗi phân rã 238U là: 238U 234 U 230 Th 226 Ra 222 Rn (Po 218 214 Bi)* 210 Pb 206 Pb(bn)Ò (kí hiệu * ám chỉ chu kỳ bán hủy rất ngắn, tính theo phút hoặc ngày). 2) Bước nào trong chuỗi phân rã giải thích bằng cách nào 210Pb lại có trong nước mưa trong khi nguyên tố mẹ 238U chỉ có trong vỏ trái đất. 2
3. 3) Thori là kim loại có số thứ tự Z = 90 trong bảng hệ thống tuần hoàn; thori gồm nhiều đồng vị, trong đó 228Th kém bền, là sản phẩm trung gian trong chuỗi phóng xạ của 232Th. 228Th có thời gian bán hủy 208 t1/2 = 1,91 năm, sản phẩm cuối cùng của chuỗi phân rã là Pb. a) Viết phản ứng phân rã của 228Th tạo ra 208Pb. b) Một lượng 14,6 mg 228Th chứa trong bình chân không có dung tích 24,7 mL. Tính số nguyên tử 228Th còn lại sau 22,9 năm. c) Tính áp suất gây ra trong bình sau thời gian 22,9 năm tại 25oC. Câu 5 (4,5 điểm) Pháo hoa được sử dụng bắn vào các dịp lễ truyền thống hoặc đại lễ dân tộc. Thực tế thành phần của pháo hoa gồm các nguyên tố vô cơ mang tính oxi hóa điển hình như peclorat, clorat và nitrat với kim loại kiềm hoặc kiềm thổ. Trong bài tập này đề cập đến việc xác định định tính và định lượng các cation trong phòng thí nghiệm. 1) Sử dụng ngọn lửa đèn cồn có thể phát hiện các ion natri, bari và liti trong dung dịch. Cho biết màu của ngọn lửa ứng với mỗi nguyên tố. 2) Các ion kim loại kiềm thổ và kim loại chuyển tiếp có thể được xác định bởi chuẩn độ phức với EDTA, là một axit yếu với các hằng số axit pKa1 = 2; pKa2 = 2,67; pKa3 = 6,16 và pKa4 = 10,26. Biểu diễn cấu trúc phức kim loại với EDTA. Xác định phần trăm dạng tồn tại của EDTA tại pH 10 mà hàm lượng chiếm lớn hơn 5% lượng tổng cộng. 3) Để xác định các ion canxi, strontri và bari bằng phản ứng với EDTA, thường sử dụng hệ đệm amoni, pH của dung dịch có giá trị trong khoảng 10. Cho biết thành phần của hệ đệm amoni, cho biết dạng tồn tại nào có vai trò quyết định môi trường pH 10. Biết NH4 có pKa = 9,24. 4) Một hỗn hợp dễ cháy chứa kẽm, magie, chì và một số nguyên tố khác, được tiến hành phân tích theo ba bước sau: i) Hòa tan 847,2 mg hỗn hợp bằng axit nitric, trong sự có mặt của lượng dư anion xianua, chỉ có cation kẽm phản ứng tạo phức với anion xianua. Hỗn hợp được chuẩn bằng dung dịch EDTA 0,01983 M tốn V1 = 35,9 mL thì đạt điểm tương đương. ii) Tiếp theo, DMP (2,3-disulfanylpropan-1-ol) được thêm dư vào hỗn hợp, lượng EDTA giải phóng ra được chuẩn bằng dung dịch Mg2+ 0,01087 M tốn hết 12,8 mL thì đạt điểm tương đương. iii) Cuối cùng, thêm lượng dư formaldehit vào hỗn hợp để giải phóng ion kẽm khỏi phức xianua, quá trình chuẩn độ hỗn hợp bằng EDTA 0,01983 M tốn hết V2 = 24,1 mL thì đạt điểm tương đương. Giải thích vai trò của bước thêm DMP vào hỗn hợp. Tính khối lượng theo mg của các kim loại kẽm, magie và chì trong 1 g mẫu ban đầu. 5) Một lượng 10 mL Ca2+ 0,05 M được thêm vào 50 mL EDTA 0,04 M; thêm nước cất để thu được 100 mL dung dịch, biết dung dịch được đệm tại pH 6. Xác định nồng độ ion Ca2+ trong dung dịch, biết hằng số bền của Ca2+ với EDTA có giá trị lg = 10,61. HẾT Chú ý: Học sinh được sử dụng bảng HTTH các nguyên tố Hóa học. 3