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1、38届国际化学竞赛试题问题1：宇宙生命的“简史”化学是生命的语言。生命是以原子、分子和涉及原子分子间的复杂化学反映为基础的。一个很自然的问题确实是各类原子是从何而来。依照一种被普遍同意的模型，宇宙起始于大约150亿年前的一次大爆炸。宇宙的历史整体上讲能够被以为是当宇宙冷却时从简单到复杂的粒子的一系列的缩合。就此刻所知，生命是地球上在必然适中温度下发生的特殊现象。轻元素，主若是氢元素和氦元素，形成于大爆炸的最初几分钟的迅速扩张，因此迅速地冷却为初期宇宙。恒星是宇宙空间的特殊物体，因为在恒星形成的进程中温度不是下降而是升高的。在化学上恒星是很重要的，因为重元素，尤其是组成生命的重元素都是在恒星内部

2、超过数百万度的高温条件下形成的。膨胀宇宙的温度能够用以下公式简单估量出来：T = 1010/t1/2。其中T是宇宙的平均温度（K），t是时刻（宇宙的年龄），以秒为单位。回答下列问题11问题16。保留一名有效数字。11 当宇宙年龄为1秒时，质子和中子因温度太高致使熔融，不能聚变成氦原子核。估算现在的宇宙温度。12 当宇宙年龄为3分钟时，氦原子核的合成近乎完全，估算现在的宇宙温度。13 当宇宙的温度为3,000K时，由氢和氦的原子核与电子组合成第一个中性原子。估算现在的宇宙年龄。14 仅当膨胀的宇宙温度低到许诺分子中原子维持键连状态时（约1,000K），宇宙中第一个稳固的分子才可能形成。估算温度为

3、1,000K时的宇宙年龄。15 估算当宇宙年龄约为3亿年且第一个恒星和银河系诞生时的宇宙平均温度。16 估算当前的宇宙温度，注意这就象宇宙的本底微波测量一样（3K）只是粗略的估量。17 将以下缩合反映进行逻辑排序，维持其与在膨胀宇宙中超过99的原子都是氢或氦原子的事实相一致。a ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )a、夸克质子、中子b、1014个细胞人类c、H、C、N、OH2、CH4、NH3、H2O （在星际空间中）d、质子、氦原子核电子中性的H、He原子e、蛋白质、核酸、膜第一个细胞f、质子、中子氦原子核g、H2、He、CH4、NH3、H2O、粉尘太阳系h、

4、H、He原子去离子作用、第一代恒星和银河系i、质子、氦原子核（轻元素）重元素如C、N、O、P、S、Fe、U；超新星爆炸j、H2、CH4、NH3、H2O等地球上的氨基酸、糖、核苷酸、磷脂问题2：星际空间中的氢元素氢元素是宇宙中最丰硕的元素，宇宙中大约有75以上的元素是氢元素，其余的主若是氦元素和少量的其他元素。氢元素不仅含量丰硕，仍是组成所有其他元素的基石。在太阳等恒星中，氢元素的含量丰硕。因此，包括超过一千亿个恒星的银河系中含有超级丰硕的氢元素。恒星间的距离平均为几个光年。氢元素也是星际空间的要紧组成物质。宇宙中大约有一千亿个星系。星系间的空间超级庞大。比如银河系距离离它最近的仙女座星系有两百

5、万光年。氢元素一样是星系间要紧的组成物质，尽管其密度远小于星际空间的密度。这些星际空间物质的平均密度大约为1 atomm3，那里的当前温度是宇宙背景能量为。21 计算星际空间的氢原子的平均速度，(8RT/M)1/2。22 计算一个氢原子在一秒钟扫过的碰撞圆柱体的体积：横截面积（ d2）乘以其速度，d是氢原子的直径（1108 cm）。中心在圆柱体中的分子就能够发生碰撞。23 计算一个氢原子每秒钟的碰撞次数（由上题中的体积乘以次数密度）。在星际空间，一个氢原子需要多青年才能碰到另一个原子？24 计算星系空间中氢的平均自由程。是一个粒子在两次碰撞间经历的平均距离。25 氢原子在星系内的星际空间中相对

6、来讲是比较丰硕的，密度约为1 atomcm3。其估量温度约为40K。计算星际空间中氢原子的平均速度。26 计算星际空间中氢的平均自由程。27 这些结果关于太空中化学反映的可能性来讲意味着什么？问题3：星际分子的光谱学星际间分子相遇的机遇很少。当他们相遇时（最有可能发生在冰表面），就会产生自由基和分子。这些自由基和分子中的部份物种在原始生命诞生的进程中可能扮演重要角色，这部份分子和自由基已经通过各类光谱学方式鉴定出来。这些星际分子和自由基的吸收光谱能够通过利用背景辐射作为激发能量而观看到。受激物种的发射光谱也被人们所观看到。60连年前，人们在星际空间发觉了简单的双原子碎片，如CH、CN等。31

7、星际空间的背景电磁辐射有其特定的能量散布，这和黑体辐射源的温度是相关的。依照维恩（Wien）定律，波长（ ）对应于由温度为T的黑体发射出的最大的光强，由公式T = 103mK 给出。若一颗恒星周围区域的温度T = 100 K,从一个温度为T = 100 K的黑体峰发射的一个光子的能量是多少焦耳？32 具有非零偶极距的分子旋转时就会有电磁辐射的吸收或发射。分子旋转所涉及的电磁辐射区属于微波区域，因此和分子旋转相关的光谱称为微波光谱学。双原子的旋转能级由下面的公式确信：EJ = J(J+1)h2/82I，其中J是转动量子数，h是普朗克常数，I是转动惯量，其值为R2。量子数J取值为0、一、2，为折合

8、质量，关于双原子分子来讲， = m1m2/(m1+m2)（m1，m2别离为这两个原子的质量）。R为两成键原子的距离（键长）。星际分子CO的丰度仅次于H2。发生旋转跃迁（转动量子数J发生改变）的最小能量是多少焦耳？使12C16O发生旋转跃迁的最小能量是多少？CO的键长是113 pm，对照该能量和问题31中的辐射能，结果能说明什么？CO分子在各个能级的能量散布和背景温度是相关联的，这阻碍着吸收和发射谱。图31. 示波图：12C16O在115，270 MHz下最低转动跃迁上面是在液态空气温度下的曲线，下面是在干冰温度下的曲线。（参考文献：O. R. Gilliam, C. M. Johnson an

9、d W. Gordy. Phys. Rev. vol. 78 (1950) .）33 转动能级的公式能够适用于氢分子的旋转。但是，氢分子的偶极距为零，使J = 1的辐射跃迁不能发生，反而观看到一个弱的J = 2的辐射跃迁。计算当光子能量最强值与氢分子（1H2）发生J = 0和2之间的跃迁能量相同的情形下星际空间的温度（氢分子的键长是74 pm）。问题4：太阳核的理想气体定律来自太阳的能量使得地球上的生命成为可能。太阳是一个典型的恒星，属于燃氢族（核融合，不是氧化）的恒星，又称为主星系恒星。太阳核含有36%的氢（1H）和64%的氦（4He）（质量分数）。在太阳内部的高温高压下，原子失去所有的电子

10、，中性原子的核结构变的互不相干。原子内部有大量的空间，在中性原子里只有电子能在其中自由活动，此刻质子、氦核和电子一样能够在其中自由活动。这一状态称为等离子态。在太阳核中，估量密度为158 gcm3，压力为1011 atm。41 计算太阳核中每立方厘米质子、氦核和电子的摩尔总数。42 试别离计算在300 K和1atm下、液态氢和太阳核的等离子态中,氢气中的粒子占据的空间百分比。已知液氢的密度是 gcm3。核粒子的半径从r = 1013 cm)(质量数)1/3推算出。假定氢分子的体积是氢原子的两倍，氢原子是波尔半径为 108 cm的球。保留一名有效数字。43 依照理想气体定律计算太阳核的温度，将该

11、结果与氢融合成氦的温度（ 107 K)进行比较。问题5：行星上的大气太阳系大约于46亿年前由星际气云形成，星际气云的成份主若是氢气和氦气和少量的其他气体和尘埃。51 太阳系的年龄能够通过月球岩石中的Pb206和U238的质量比来估算，写出U238 衰变成Pb206的所有核反映式。52 总反映的半衰期是由U238（ ）的第一级衰变决定的，因为它是所有的衰变反映中速度最慢的。这一反映的半衰期为109年。试估算月岩中Pb206和U238的质量比，并由此估算太阳系的年龄。53 由于初期地球上的氢元素和氦元素的逃逸致使了它们在地球上的含量较少。逃逸速度是一个粒子或物体（如气体分子或火箭）离开行星引力所需

12、要的最小速度。一质量为m的物体的逃逸速度由物体的重力势能（GMm/R）和物体的动能（mv2/2）来决定，注意式子两边的质量（m）可消去。因此逃逸速度和物体的质量无关，但和行星的质量有关。G: 宇宙引力常数 = 1011 Nm2kg2M: 地球质量 = 1024 kg R: 地球半径 = 106 m 计算地球上物体的逃逸速度。54 计算一个氢原子和一个氮气分子在环境温度下的平均速度，(8RT/Mc)1/2，并与地球上物体的逃逸速度相较较。高层大气中的气体能够逃逸到太空中，因此温度将有些不同。同时要注意水蒸气在紫外线的作用下能够分解成氢原子。说明尽管物体的逃逸速度与质量无关，什么缘故氢原子比氮分子

13、更易逃逸。55行星大气的化学成份取决于行星大气的温度（又取决于行星和太阳的距离、行星内部的温度，等等）、构造的活性和存在的生命。太阳通过氢转变成氦的核融合，同时释放出热、光和太阳风，这使得原始的内层行星（如水星、金星、地球和火星）失去了它们的气态物质（H2、He、CH4、N2、H2O、CO等）。而诸如铁和镍等重元素由于重力作用聚集于行星的核，并放射性衰变产生热量，行星的内部温度升高。截留的气体，如CO2和H2O，迁移到行星的表面。后来的气体逃 逸，即以一个给定的逃逸速度从行星逃向太空，就取决于速度的散布。超过逃逸速度的气体分子的百分比越大，气体的逃逸越有可能。圈出大气压力和组成与给出数据相符的

14、行星名称，并说明。 行星的平均表面温度和半径如下：金星：730 K；6,052 km 地球：288 K；6,378 km 火星：218 K；3,393 km木星：165 K；71,400 km 冥王星：42 K；1,160 km压力（atm） 组成（%） 行星a. 100 H2(82)；He(17) （金星，地球，火星，木星，冥王星）b. 90 CO2；N2 （金星，地球，火星，木星，冥王星）c. CO2；N2 （金星，地球，火星，木星，冥王星）d. 1 N2(78)；O2(21) （金星，地球，火星，木星，冥王星）e. 105 CH4(100) （金星，地球，火星，木星，冥王星）56 写出H

15、2、He、CO2、N2、O2和CH4的路易斯结构式，标明所有的价电子。57上述行星中大气的组成成份都是低沸点的原子和分子。沸点第一由整个分子的极性所决定，分子的极性取决于键的极性和分子的几何构型。非极性分子之间仅以色散力相结合，因此沸点低。固然，非极性分子之间的沸点也有不同。依照沸点升高的顺序排列H2、He、N2、O2和CH4，并说明这一顺序。问题6：稀有气体的发觉许多分子，如问题5中的H2、N2、O2、CO2和CH4是通过原子间的化学键形成的。尽管19世纪咱们就明白了化合价，可是隐藏于化学键的原那么在相当长的时刻里仍是鲜为人知。具有挖苦性的是，几乎没有化学活性的稀有气体的发觉，给非稀有气体元

16、素什么缘故要以化学方式结合提供了一条线索。1882年，瑞利为证明Prouts猜想，决定从头精准测定各类气体的密度。61 什么是Prouts猜想？他是用什么证据支持自己的猜想的？（从因特网或其他资料源查找）62 为除去空气中的氧气，制备纯净的氮气，瑞利利用了拉姆塞提供的一种方式。将空气鼓入液氨，然后通过置有红热的铜的导管，空气中的氧气通过导管时被氨中的氢消耗。用硫酸能够除去过量的氨，同时也能够除去水气。铜用于增加表面积和用作反映指示剂。只要铜维持敞亮，就说明氨还在继续反映。写出空气中的氧气被氨中的氢消耗的配平方程式。假定空气含有78%（V）的氮气，21%的氧气和1%的氩气（瑞利那时并非明白），请

17、在方程式中标出空气中的氮气和氩气。63 试通过测定用上面方式制备的氮气的密度来计算氮气的分子量。注意样品中的氩气也对测定的密度有奉献，这一点瑞利起初并非明白。（原子量: N = ，Ar = ）64 瑞利还将空气直接通过灼热的铜，制备了氮气。写出空气中的氧气被红热的铜除去的配平方程式。在方程式中一样标出空气中的氮气和氩气。65 试通过测定用第二种方式制备的氮气的密度来计算氮气的分子量。66 使瑞利感到惊奇的是，两种方式取得的密度在千分位上不同不同很小但有重复性。从你的问题63和问题65的答案中证明这一不同。67 为了放大那个不同，瑞利在氨水法顶用纯氧代替空气。这一做法会对不同带来什么改变？68

18、与加热的镁（比铜活泼）反映，能够脱去空气中的氮气和氧气，并分离出约占空气1%的新气体，新气体的密度大约是空气的（ ）倍。69 观测从空气中分离的新气体的光谱，取得一种之前没有见过的线光谱图。这一气体最明显的特点是它的比热（Cp/Cv），被证明最高可能值为5/3。这一观测显示整个分子的运动是（ ）（从下面的选项当选择）。因此，氩气是单原子气体。（1）电子的 （2）振动的 （3）转动的 （4）平动的610 计算STP下，一个10 m10 m10 m的大厅中氩气的质量。611 1894年，瑞利和拉姆塞宣布了Ar的发觉。随后其他稀有气体（He、Ne、Kr、Xe）也接踵被发觉，周期表中增加了新的一族。瑞

19、利和拉姆塞别离取得了1904年的诺贝尔物理奖和化学奖。元素的名称有时来自希腊或拉丁语，暗示着它们的性质或发觉方式。试把元素名称与其含义联系起来。氦 新的 氖 生疏人 氩 懒惰 氪 隐藏 氙 太阳 问题7：盐的溶解性金属及其盐的溶解性在地球的长河中扮演着重要的角色，改变着地球表面的形状。另外，溶解性也有助于改变地球的大气。初期地球大气中有丰硕的二氧化碳。由于小行星不断地撞击地球，初期地球表面的温度一直高于水的沸点。地球冷却以后开始降雨并形成原始海洋。金属及其盐溶解在海洋中，使海水变成碱性，致使空气中大量的二氧化碳也溶于大海。大量碳酸盐矿物的二氧化碳部份也来自于该原始大气。大约38亿年前生命开始显

20、现，约3亿年前进化到显现增进光合作用的细菌，产生了光合作用的副产物分子氧。由于氧和海水中的金属离子发生反映，低溶解度的金属氧化物沉淀于海底。后来由于板块构造运动，变成了干燥的陆地。铁和铝的矿物过去是，此刻也是人类文明生活中专门重要的天然原料。71 考虑银的卤化物的溶解度问题。AgCl和AgBr的Ksp别离是1010和1013。过量的AgCl溶解于去离子水达到平稳。试计算平稳时Cl离子的浓度。假设以AgBr代替AgCl，试计算平稳时Br离子的浓度。72 假设将含有的103moldm3的Ag+（aq）加入含有同体积、同浓度的Cl（aq）中。当平稳成立时，溶液中Cl离子的浓度是多少？溶液中的氯化物所

21、占百分含量是多少？73 假设将含有的103 moldm3 Ag+（aq）加入含有同体积、同浓度的Br（aq）中。当平稳成立时，溶液中Br离子的浓度是多少？溶液中的溴化物所占百分含量是多少？74 很难通过实验来证明问题72和问题73所得的结论，因为溶液的准确体积和浓度难以确信。假设Ag+（aq）的浓度是103 moldm3，从头计算问题72和问题73。75 假设将103 moldm3 Ag+（aq）在持续搅拌下缓慢加入同时含有浓度为103 moldm3的Cl和Br离子的混合溶液中。哪一种卤化银第一沉淀？计算第一种沉淀形成时溶液中各离子的浓度。76 别离加入100、200和300 mL的103 m

22、oldm3 Ag+（aq）以后，计算Br、Cl和Ag+离子在溶液和沉淀中的百分含量。（在下表中填入相应的数字）加入体积% Br溶液中% Br沉淀中% Cl溶液中% Cl沉淀中% Ag溶液中% Ag沉淀中100 mL200 mL300 mL问题8：物理法测定阿佛加德罗数阿佛加德罗数是化学里的一个大体常数。但是其精准测定却经历了很长时刻。阿佛加德罗（17761856）本人也不明白象此刻所知的阿佛加德罗数。在他归天的时候，阿佛加德罗数是由气体的性质测定的，例如扩散系数和粘度，其数约为51022。此刻确信的阿佛加德罗数（ 1023）是20世纪初期取得的。用以下三种方式测定阿佛加德罗数：81 在热平稳中

23、，存在一个质量为m、高度在h的分子的可能性正比于波尔兹曼因子：exp(E(h)/kBT)，E(h)是重力势能（mgh，g ms2），kB是波尔兹曼常数。因此，在高度h处分子密度遵循“气压”散布为： (a)直径为 m密度为 gcm3的球形粒子悬浮在20C水中（密度 gcm3）。计算校正浮力后粒子的有效质量m。(b)已知具有有效质量的粒子的密度遵循气压散布。在一次实验中测定了这种粒子的垂直散布，观测到h处的密度减少到垂直距离为103 cm的h0处的1/e。试计算波尔兹曼常数。(c)利用波尔兹曼常数和气体常数（R = Jmol1K1）计算阿佛加德罗数。82 阿佛加德罗数也能够通过单晶X射线晶体学测定

24、。NaCl晶体的密度是 gcm3。 NaCl晶格示用意如下（图81）。相邻Na+和Cl离子之间的距离为108 cm。试计算阿佛加德罗数。图81. NaCl晶格结构岩盐结构中阴离子和阳离子都是面心立方排布的。这两种排布彼此穿插。一个晶胞中含有4个阴离子（8个在极点，其中每一个被8个晶胞共有，记为1个阴离子；6个在面心，其中每一个被2个晶胞共有，记为3个阴离子）。一样每一个晶胞也含有4个阳离子。83 在闻名的油滴实验中，密立根于1913年测定的电荷大体单位是1019库仑。利用该值和法拉第常数（每一个库仑的电量，密立根那时用的1法拉第 = 96,496库仑），计算阿佛加德罗数。问题9：测定阿佛加德罗

25、数的一种电化学方式依照概念，阿佛加德罗数是12克C12所含有的准确的碳原子数量。CODATA（科技数据委员会）2002年提供的阿佛加德罗数为(10)1023 mol1，括号里的数值表示在最后两位数值上有一个标准误差。阿佛加德罗数能够通过电化学方式进行测定。测量电流和时刻，利用公式Q = It（电量=电流时刻）能够取得通过电化学电池的电子数量。用铜电极电解 moldm3 H2SO4（aq），由于铜原子转化成铜离子流入溶液，阳极的铜会损失。在阴极表面，由于酸溶液中的氢离子被还原，有氢气释放出来。实验数据如下：阳极质量减少： g；恒定电流： A；电解时刻：1802秒。已知1 A = 1 Cs1或1

26、As = 1 C，一个电子的电量是1019 C。91 写出阳极和阴极的电极反映式。92 计算通过电路的总电量。93 计算电解涉及的电子总数。94 计算一个铜原子的质量。95 计算阿佛加德罗数。铜的原子量是。96 这种测量阿佛加德罗数方式的百分误差是多少？97 搜集反映产生的氢气并用其质量计算阿佛加德罗数的方式，从原理上也是可行的。计算所放出的氢气质量。用放出氢气的质量来测定阿佛加德罗数的方式事实上可行吗？问题10：焓，熵和稳固性生命和非生命体系中所有的化学反映都遵循热力学定律。一个给定反映的平稳常数随吉布斯自由能的转变而转变，而吉布斯自由能又与焓变、熵变和温度有关。101 把以下热力学函数填入

27、af问中的最后空格中：平稳常数Keq 焓变H 熵变S 吉布斯自由能的转变值Ga 受温度阻碍强烈的 （ ）b 与键强度紧密相关的 （ ）c 无序度的测量 （ ）d 与反映物和产物的量有关的 （ ）e 自发反映的测量 （ ）f 释放或吸收热量的测量 （ ）102 以下平稳存在于分子给予体（D）和BX3硼化物之间形成的加合物的气相离解反映中：DBX3(g)D(g) + BX3(g) Kp = DBX3/DBX3在100C加合物Me3NBMe3和Me3PBMe3的离解常数别离是和 atm。计算100C时，这两个加合物分解的标准吉布斯自由能变。哪个加合物更稳固？103 Me3NBMe3和Me3PBMe3

28、的标准离解熵(S)别离为 calmol1K1和 calmol1K1。计算这两种加合物的标准离解焓变。哪个化合物有更强的中心键？假设H和S都与温度无关。104 在100C时，这两种加合物的整体稳固性的判据中焓项（H）仍是熵项（T S）占主导？105 什么温度下Me3NBMe3比Me3PBMe3在热力学上更稳固？假设H和S都与温度无关。问题 11: 路易斯酸碱理论对生命体来讲酸和碱是必不可少的。氨基酸中既有酸性基团又有碱性基团。脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸中含有腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和尿嘧啶等碱。因此，了解酸碱化学理论对于了解生命过程是必要的。氧能形成酸的性质表现了氧的高电负性，据此

29、拉瓦锡命名了氧气。路易斯扩大了酸和碱的定义，在决定路易斯酸碱的酸碱度中，电负性再次起了决定性作用。111. 请描述BX3的分子结构，并指出B原子的轨道杂化类型。112. BX3与碱性物质，如吡啶（C5H5N）形成加合物时，上述B原子的轨道杂化类型如何改变？当卤族元素X为F或I时，形成加合物所引发的B原子周围的结构改变是不是更有利？依照以上结构分析，按路易斯酸酸性增强的顺序排列BF3，BCl3及BBr3。113. 电负性是预测路易斯酸酸性的另一个重要因素。假设只考虑卤族元素的电负性（诱导效应），按路易斯酸酸酸性增强的顺序排列BF3，BCl3及BBr3。114. 卤化硼（路易斯酸）与吡啶（路易斯碱

30、）形成加合物的进程是吸热还是放热？其中哪一种路易斯酸形成加合物的过程焓变最大？115. 虽然气态更有利于计算三个BX键的相对强度，液态也是一个令人满意的参考状态，因为卤化硼是相对来讲非极性的液体或气体。下面给出了硝基苯与液态卤化硼混和时的焓变H1，和该硝基苯卤化硼溶液在硝基苯中与吡啶混合时的焓变H2。BX3(liq.) + C6H5NO2(liq.) C6H5NO2BX3 (soln.) H1C6H5NO2BX3(soln.) + C5H5N(soln.) C5H5NBX3(soln.) + C6H5NO2(soln.) H2BF3BCl3BBr3H1 (kcal/mol)H2 (kcal/mol)计算以下反应的焓变H3。该结论是不是与问题114中预测的结论一致？BX3(liq.) + C5H5N(soln.) C5H5NBX3(soln.)116. 卤化硼与水的反应各不相同。BF3与水反应形成稳定的加合物，而在温度低于20C时，BCl3和BBr3就能够够与水剧烈反应。请预测以下反应中产物A、B、C分别为何种物质。BF3 + H2OABCl3 (或BBr