中学生化学竞赛(初赛)试题分析

1999年全国高中学生化学竞赛（初赛）试题分析第一题(12分)12.0g含2种化合物(由常见元素组成)的近白色固体溶于过量盐酸,释放出2.94L气体(标准状态),气体密度为同温度下空气密度的1.52倍;剩余的不溶性残渣含氧53.2%，既不溶于酸又不溶于稀碱溶液。通过计算分别写出2种化学物质的化学式。[解题思路]解这个试题的关键是找到突破点。就像侦察破案一样，先要找到相对独立的线索。故此题首先是在考察参赛者对信息相互关系的判断力。此题给出的5个数据中，相对独立的是气体的相对密度，它是突破点。由此可得出气体是什么，然后“跟踪追击”，可得出其中一种化合物是碳酸盐，其物质的量，然后应进行“扫描”，寻找“嫌疑犯”，所有由常见元素构成的常见碳酸盐均是答案，条件是其总质量小于12.0。若参赛人对此题的信息关系制作一个信息相关图，解题就容易多了，如：A+BA气体相对密度1.52分子量=29X1.52B=44.1CO2此题的妙趣是可以作的假设是多样的，可以是相同的+1价阳离子的碳酸盐，也可以是不同的+1价阳离子的碳酸盐、可以是+2价阳离子的碳酸盐，又可以是它们的酸式盐，试题仅要求假设涉及的元素是常见的。现场考察发现作图者寡，作多种假设者也不多。[答案]要点1：1.5229.0g·mol-1=44.1g·mol-1,这种气体是CO2(2分)CO2物质的量：2.94L/22.4L·mol-1=0.131mol;(2分)（或CO2的质量：0.131mol44.0g·mol-1=5.78g）要点2：由上面的计算可知一种物质为碳酸盐：MCO3。（M=Mg）设M为常见元素Mg,则MgCO3质量为0.131mol84.3g·mol-1=11.0g;（若设M=Ca,则CaCO3质量为0.131mol100g·mol-1=13.1g12.0g;不合题意。若为Na2CO3(106g·mol-1)也不合题意）故M=Mg(6分)注：若没有对CaCO3的讨论，只给3分。要点3：既不溶于酸也不溶于稀碱的另一种物质是SiO2(不可能是M2O，MO，M2O3)：[32.0/(28.1+32.0)]100%=53.2%(符合题意)(2分)化合物的化学式:MgCO3，SiO2[评论]命题人认为这是一道相当于高考题水平的试题，但现场考察却显示，参赛学生有扑朔迷离之感，不能很快发现解题的线索，觉得像个“无头案”，许多参赛者宁愿先放弃此题而去做后面的题，这很出乎命题人的预计。此题答案假定碳酸盐是MgCO3，理应指出NaHCO3、Ca(HCO3)2、NH4HCO3等等都是正确答案。此题答案前有个说明：凡得出正确组成和计算的都应给满分。尽管碳酸氢钙（镁、钡）固体是不存在的，但学生并不知道，答了也应给分。这样才可以体现化学竞赛的判分原则：坚持从应试者知识水平出发，即使事实上不正确，但学生缺乏作出正误判断的知识基础，认为是正确的，也可得分。一题多解是应当提倡的。科学假设必须注意到客观世界多样性，不应“一根筋”。笔者建议，今后凡试题有多个答案，应试者给出多个答案才能给满分。此题知识水平很低而智力要求很高，但难度不小，许多选手不知所措，甚至放弃，可见简单地定义“智力是知识的总和”，容易引起误解。知识多智力不一定高。智力与知识（还有经验）相关，但不是一个东西。第二题（10分）A和B两种物质互相溶解的关系如图1所示，横坐标表示体系的总组成，纵坐标为温度，由下至上，温度逐渐升高。T1时a是B在A中的饱和溶液的组成，b是A在B中的饱和溶液的组成（T2时相应为c、d）。T3为临界温度，此时A和B完全互溶。图中曲线内为两相，曲线外为一相（不饱和液）。某些物质如H2O和(C2H5)3N，C3H5(OH)3和间-CH3C6H4NH2有低的临界温度（见示意图2）。请根据上述事实，回答下列问题：T3T2cdT1ab18.5CA100%80%60%40%20%0%H2O(C2H5)3N0%20%40%60%80%100%B图1图22-1解释图1中T3存在的原因。2-2说明图2所示的两对物质存在低的临界温度的原因。2-3描述图2所示的两对物质的互溶过程。[解题思路]此题的信息是图形，可称为图形题。考察参赛者对用图传递的信息理解加工的能力。参赛者首先应抓住试题的主题——两种溶剂的互溶性；然后要浮现中学化学中关于溶解性的一般性问题——为什么有的溶剂能够互溶，有的却不能？其次要回忆中学化学中有关温度对溶解度影响的一般原理。若颠倒了思考的顺序，思路就会乱。中学化学有“相似者相溶”的说法，即分子间作用力的性质相近大小也相近的溶剂会相互溶解。性质相近和大小相近也有个顺序。性质相近才能再考虑大小是否相近。性质不相近就不必再考虑大小是否相近。图1和2给出了溶解性与温度关系相反的信息，应归咎于两者分子间力性质不同。题面给出图2溶剂的实例，倒过来告诉我们图1的溶剂不具有这种性质，即表明图1是通例，图2是特例，因此参赛者需首先分析图2特例具有什么特殊的分子间作用力，于是就找到了解题的关键——氢键。[答案]2-1物质的溶解度通常随着温度的升高而增大，所以在一定的温度下，A和B两种物质能达到完全互溶。（2分）2-2某些物质如H2O和(C2H5)3N，C3H5(OH)3和间-CH3C6H4NH2存在低的临界温度的原因是它们在较低温度能形成分子间氢键，然而，随着温度的升高，分子间氢键破裂，所以溶解度反而减小。(4分)2-3HOHNC2H5C2H5C2H5+OHHC2H5C2H5C2H5N(2分)(若画为1个H2O和2个(C2H5)3N分子形成氢键也给2分)CH2CHCH2OHOHOHNH2CH3CH2CHCH2OOHOHHHHNCH3CH2CHCH2OHOHOHCH3NH2+(2分)(氢键位置不同、生成1、2、3个氢键或其它合理答案均给分)[评论]现场考察发现许多学生不知道如何缕清解此题的逻辑顺序，有的选手则似乎明知是分子间作用力和氢键问题，却不会表达。这说明竞赛试题考核表述能力正切中要害。本题知识点仍是中学化学知识，答案对氢键方向性并未要求，是切合学生水平的做法。有相当一部分学生分不清第2问和第3问，把它们混在一起了，笔者认为，第2、3问的不同在于认识的层次。第2问要求原因，第3问要求过程，后者要求更高层次的原因。笔者认为，此题答案的不严密之处是：应首先指出互溶的两种物质的分子间作用力不仅性质接近，而且大小也应比较接近，否则解释不了苯酚与水或苯胺与水等的溶解性。此类用结构原理来解释物理性质的试题是否适合作为初赛试题也有不同意见。有的老师认为，应试者提出的“解释”可能完全出乎命题人的意外，使应答变得很复杂多样，造成评分的困难。笔者的看法是，讨论事物原因的试题不宜过多，过多地问为什么，有可能强化追求似是而非的事物原因的学究式探究。第三题（12分）铬的化学丰富多采，实验结果常出人意料。将过量30%H2O2加入(NH4)2CrO4的氨水溶液,热至50oC后冷至0oC，析出暗棕红色晶体A。元素分析报告：A含Cr31.1%，N25.1%，H5.4%。在极性溶剂中A不导电。红外图谱证实A有N-H键，且与游离氨分子键能相差不太大，还证实A中的铬原子周围有7个配位原子提供孤对电子与铬原子形成配位键，呈五角双锥构型。3-1以上信息表明A的化学式为：；可能的结构式为：。3-2A中铬的氧化数为：。3-3预期A最特征的化学性质为：。3-4生成晶体A的反应是氧化还原反应，方程式是：。[解题思路]此题是利用已经形成的但一般教科书未涉及的知识编制成的探究式试题。如本文开头所述，属于谜底为新知识的谜语式试题。此题信息很多，为缕清信息相互关系，最形象的方法是制作一张破案式的线索图，下面只是一例（制作什么样的图并无模式可循，依应试者思维特征不同而异，图也不一定在纸上画出来，在脑中构建也一样可以——这要看应试者脑子清晰不清晰，右脑发达不发达而定）：ACrN3H9O4Cr:31.1%;N:25.1%;H:5.4%H2O2NH3(NH4)2CrO4H2O+++氧氧氧氧氧氧n+6Crn+Cr氧氧氧氧氧氧氧氧A氧氧NH氧A氧氧氧氧氧氧氧氧氧氧N氧N氧N氧O氧O氧O氧O从这个“破案线索图”可以判断出“犯案人”A只能是含2个过氧团的铬(IV)配合物。因为过氧团可以从过氧化氢中转移过来，有来源（如果此题没有A的生成反应的信息，当然也可以假设配合物里存在H2N—NH2，同时有—OH的配体，但生成反应排除了这个“嫌疑犯”）；同时也排除1个过氧团或者没有过氧团的可能，因为生成反应是氧化还原反应，在K2CrO4中铬的价态（或说氧化态）已经达到最高价，只能发生还原反应，铬的价态必低于+6，因此A是唯一的。[答案]3-1A的化学式Cr(NH3)3O4或CrN3H9O4（写成其他形式也可以）(2分)A的可能结构式如下图：(4分)ONH3OOOCrNH3NH3ONH3NH3OOCrONH3and/or1式和/或2式均得满分，但无2个过氧键O—O者得零分。（编者注：还可画出其他结构式，但本题强调的是结构中有2个过氧键，并不要求判断它们在结构中的正确位置。）3-2A中铬的氧化数为+4(2分)3-3氧化还原性（或易分解或不稳定等类似表述均得满分）(2分)3-4化学方程式：CrO42-+3NH3+3H2O2=Cr(NH3)3(O2)2+O2+2H2O+2OH–(2分)[评论]此题重在形成知识的过程。当然，作为试题，并未给出实际科学研究获得的全部信息，例如红外图谱中肯定同时显示了A中有过氧键，却被命题人“制谜”时略去了，否则会降低解谜的智力测试水平。平心而论，此题的知识要求是较多的，但在中学课本里都已涉及,如:应试者至少需要有配合物（络合物）的基本概念(中学有Cu(NH3)42+、Ag(NH3)2+、Fe(CN)64–、Fe(SCN)63–等)、过氧化合物的知识(中学有H2O2)、铬的价态及作为氧化剂的知识(中学有重铬酸盐作氧化剂的例子)、氧化数的概念、配价键或者配位键的概念（中学有电子对的给予和接受的实际例子）、电解质的概念、由元素组成求分子量的技能（此题氧原子数需用余量来求，这既符合实际科研信息，又增加了试题难度），等等。由于这些知识基础不超纲，不能说此题对已有知识基础要求太高，试题难是难在这样多的知识要综合在一起，由应试人得出一个从未见过的结构式（按说只有左边的结构图是正确的，但命题人并不这样要求，是符合应试者水平的判分标准，再次体现了竞赛判分的特点），因此此题的智力要求确实比较高，理解力、分析力、综合力、联想力、想象力、创造力都进行了考察。如果实测结果此题难度太高，可在今后命题时适当减少信息量，降低综合度，不要连这种命题思路一起泼走。第四题（12分）市场上出现过一种一氧化碳检测器，其外观像一张塑料信用卡，正中有一个直径不到2cm的小窗口，露出橙红色固态物质。若发现橙红色转为黑色而在短时间内不复原，表明室内一氧化碳浓度超标，有中毒危险。一氧化碳不超标时，橙红色虽也会变黑却能很快复原。已知检测器的化学成分：亲水性的硅胶、氯化钙、固体酸H8[Si(Mo2O7)6]·28H2O、CuCl2·2H2O和PdCl2·2H2O（注：橙红色为复合色，不必细究）。4-1CO与PdCl2·2H2O的反应方程式为：。4-24-1的产物之一与CuCl2·2H2O反应而复原，化学方程式为：。4-34-2的产物之一复原的反应方程式为：。[解题思路]竞赛是科学普及的一部分，要通过竞赛宣传化学在经济发展人类进步人民健康质量、生活质量及环境质量改善中的作用，以促进中学生关心发生在世界上和周围的新事物，激励他们为之奋斗，本题就体现这种思想。鉴于试题涉及的器件的化学组成很复杂，命题人从中挑选了学生的知识背景足以理解的问题，也正好是该器件性能的主要化学原理，甚至提示应试者集中精力解决主要问题，舍弃不必细究的枝节，这本身也是一种如何理论联系实际的教育。命题人在组题时进一步帮助应试人缕清器件化学原理的思考程序，分3个问题要求学生思考，但每一个问题都留有需应试者通过原有知识基础来补充完善的内容，以此来考察应试者的应变能力。第一个问