Đề thi HSG Hóa học 10 Trường THPT Chuyên Biên Hòa - Hà Nam

HỘI CÁC TRƯỜNG THPT CHUYÊN
ĐỀ THI CHỌN HSG GIỎI LẦN THỨ XV
KHU VỰC DUYÊN HẢI, ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ
MÔN THI: HOÁ HỌC – KHỐI 10
TRƯỜNG THPT CHUYÊN BIÊN HOÀ, T. HÀ NAM
Thời gian làm bài 180 phút
(Đề này có 8 câu; gồm 07 trang) ĐỀ THI ĐỀ XUẤT
Câu 1 (2,5 điểm): Cấu tạo nguyên tử. Phản ứng hạt nhân. Định luật tuần hoàn.
1. Electron cuối cùng trong nguyên tử A có các số lượng tử là: n = 2, m = -1, ms = +1/2
Ở trạng thái cơ bản, nguyên tử X có số electron độc thân bằng với số electron độc than của
nguyên tử A và electron cuối cùng của nguyên tử X thuộc phân lớp 4d hoặc 5s
a) Cho biết A và X có thể là những nguyên tử nào?
b) Ở trạng thái kích thích, electron của ion He+ có giá trị số lượng tử chính bằng số lượng
tử phụ của phân lớp chứa electron độc thân của nguyên tử X. Mặt khác electron trong ion
He+ trên có năng lượng bằng với năng lượng electron ở trạng thái cơ bản của nguyên tử
hydrogen. Hãy xác định chính xác nguyên tử X. Biết rằng năng lượng của hệ chứa 1
electron được tính theo công thức sau:
Trong đó n là số lượng tử chính, Z là điện tích hạt nhân, En có đơn vị là eV
2. Các phản ứng nhiệt hạch nhân tạo dựa trên sự tương tác giữa hạt nhân ổn định X với hạt
nhân phóng xạ Y, tạo thành hạt nhân ổn định Z cùng với một neutron, với X và Y là đồng
vị của nhau. Quá trình tổng hợp diễn ra ở nhiệt độ cao.
Hàm lượng hạt nhân Y trên hành tinh chúng ta rất nhỏ, chúng được hình thành dưới tác
động của bức xạ vũ trụ lên các nguyên tử 14N (tương tác với neutron), nhưng không có khả
năng tích tụ do chu kì bán rã ngắn t1/2 ≈ 10-16 năm. Tuy nhiên hạt nhân Y có thể được tổng
hợp nhân tạo bằng cách chiếu xạ neutron lên hạt nhân A ổn định. Ngoài hạt nhân Y ra thì
còn tạo thành hạt nhân Z
Hoạt độ riêng của hạt nhân Y là 9650 Ci/g. Một mẫu chất chứa 2,82.1021 hạt nhân có hoạt
độ giảm đi 14,475 Ci trong 2 năm. Chi phí tổng hợp hạt nhân Y khá cao: 30 triệu USD/kg.
Cho biết tất cả các hạt nhân ổn định đều có số proton và neutron bằng nhau
a) Tính chu kì bán rã chính xác của hạt nhân Y
b) Tính toán số tiền cần chi để lưu trữ 600 gam hạt nhân Y trong 2 tháng 1
c) Xác định các hạt nhân X, Y, Z và A. Viết phương trình phản ứng hạt nhân tổng hợp Y
từ 14N và phản ứng nhân tạo tổng hợp Y
Câu 2 (2,5 điểm): Cấu tạo phân tử. Tinh thể
1. Hiện tượng đồng phân cấu trúc của các hợp chất vô cơ ít phổ biến hơn so với các hợp
chất hữu cơ. Hợp chất vô cơ lưỡng nguyên tố I có thể tồn tại ở hai dạng đồng phân. Phân
tử của hai đồng phân này đều có tính phân cực. Trong một đồng phân, các nguyên tử sulfur
tương đương nhau, nhưng trong đồng phân thứ hai thì không. Hợp chất I chứa sulfur và
fluorine, với hàm lượng sulfur là 62,75%. Nguyên tử trung tâm lai hóa sp3
a) Xác định công thức hóa học của I và cấu trúc không gian của hai đồng phân. Viết
phương trình phản ứng diễn ra khi đun nóng chất I.
Sulfur và phosphorus tạo ra nhiều hợp chất khác nhau với các halogen. Thông tin về thành
phần của một vài trong số đó được liệt kê trong bảng dưới đây và một số thông tin để trống: Nguyên tử trung tâm Hợp chất %Cl %S %F %P Số đôi electron tự do Kiểu lai hóa I 0 62,75 0 sp3 II 85,13 0 sp3d III 0 21,92 IV 21,85 19,69 58,46 9 V 0 54,29 0 2 VI 60,68 21,66 17,66 0 sp3d VII 0 61,62 0 VIII 29,63 70,37 0
b) Xác định công thức hóa học của các hợp chất từ I đến VIII
c) Với các phân tử từ I đến VIII, hãy cho biết số lượng đôi electron tự do của nguyên tử
trung tâm, kiểu lai hóa của nguyên tử trung tâm và dạng hình học phân tử tương ứng. Dự
đoán tính phân cực của mỗi phân tử
2. Mặc dù hợp chất “Mg2Fe” kém bền nhưng khi khám phá những vật liệu lưu trữ
hydrogen, hydride bền tương ứng của hợp chất này, với khả năng lưu trữ hydrogen đáng kể
đã được tổng hợp. Cấu trúc của hydride này thuộc hệ tinh thể lập phương, kiểu mạng lập
phương tâm diện, thông số mạng a = 644,58 pm, và ô mạng đơn vị được biểu diễn như
hình bên (chưa bao gồm các nguyên tử hydrogen). 2 Fe Mg
Trong cấu trúc này, có thể xem rằng các nguyên tử Fe sắp xếp theo kiểu lập phương đặc
khít. Các nguyên tử Mg chiếm các hốc tứ diện và các nguyên tử H được phân bố đồng đều
quanh nguyên tử Fe theo phối trí bát diện đều. Khoảng cách ngắn nhất giữa các nguyên tử
H và Fe bằng ¼ thông số mạng
a) Xác định công thức hóa học của hydride và tổng số nguyên tử H trong ô mạng đơn vị
b) Tính độ dài liên kết Fe-H, Mg-H và khoảng cách H-H ngắn nhất. Xác định số (n)
nguyen tử H tạo phối trí với Mg
c) Tính khối lượng riêng ρ (g/cm3) của hydrogen trong hydride và khối lượng riêng ρo của
khí hydrogen ở điều kiện tiêu chuẩn (1 bar, 273 K). Tính tỉ số R của hai giá trị khối lượng riêng này.
Câu 3 (2,5 điểm): Nhiệt hoá học.
Chu trình Carnot là một quá trình tuần hoàn lí tưởng
gồm hai quá trình đoạn nhiệt (BC và DA) và hai quá
trình đẳng nhiệt (AB và CD). Thông qua chu trình
Carnot, hệ nhiệt động có thể sinh công dựa vào lượng
nhiệt trao đổi (Q1 và Q2) với hai nguồn nhiệt có nhiệt
độ không đổi nhưng khác nhau. Chúng lần lượt là một
bể chứa nhiệt độ cao (T1) được gọi là nguồn nóng, và
một bể chứa nhiệt độ thấp (T2) được gọi là nguồn lạnh
Xét 70 gam khí nitrogen thực hiện một chu trình Carnot với nhiệt độ tại nguồn nóng và nguồn
lạnh lần lượt là T1 = 400K và T2 = 300K. Thể tích khí tại điểm A và C là VA = 10 dm3 và VC = 50 dm3
1. Xác định tọa độ của mỗi điểm (giá trị áp suất (kPa) và thể tích (dm3) A, B, C và D
2. Tính lượng nhiệt Q1 (J) mà nitrogen nhận từ nguồn nóng sau 1 chu trình
3. Tính công (J) thực hiện bởi nitrogen sau 1 chu trình
4. Sử dụng các giá trị được tính ở ý 2, 3 tính hệ số chu trình Carnot sử dụng khí oxygen trên 3
5. Vẽ định tính chu trình Carnot theo các tham số T – S với T = f(S), đồng thời chỉ rõ vị trí các
điểm A, B, C, D và chiều chuyển hóa của chu trình
6. Biết rằng hiệu suất chu trình Carnot có thể tính theo công thức: η = (Q1 – Q2)/Q1, từ đồ thị
đã vẽ ở ý 5, hãy thiết lập sự phụ thuộc của hàm η = f(T1, T2), từ đó tính hiệu suất chu trình Carnot của nitrogen
7. Cho biết khi nào hiệu suất của chu trình Carnot là 100 % và khi nào là 0 %? Công suất của
động cơ nhiệt (W) trong chu trình Carnot là bao nhiêu?
Cho biết tất cả các quá trình đều xem như lí tưởng, không có ma sát
Câu 4 (3,0 điểm): Động hoá học (Không có cơ chế). Cân bằng hoá học trong pha khí.
1. Các hợp chất organophosphite được đặc trưng bởi cân bằng giữa đồng phân cis và đồng
phân trans, có thể phân biệt được bằng 31P
Để nghiên cứu động học và nhiệt động học của phản ứng đồng phân hóa organophosphite
trong sơ đồ trên, người ta đã tiến hành tổng hợp một mẫu chất tại nhiệt độ -78oC, trong đó chỉ
tạo thành duy nhất một đồng phân cis. Tiến hành đun nóng một mẫu đồng phân cis đến 60oC
và ghi lại phổ 31P NMR sau mỗi khoảng thời gian nhất định. Lặp lại thí nghiệm trên với mỗi
một mẫu mới tại nhiệt độ 80oC.
Kết quả thực nghiệm được trình bày trong bảng dưới. Trong đó χ (cis) kí hiệu cho phần mol
của đồng phân cis trong hỗn hợp. 60oC Thời gian, giờ 0,50 1,00 2,00 3,00 4,00 100 χ (cis) 0,77 0,609 0,40 0,29 0,24 0,18 3 5 9 3 3 80oC Thời gian, giờ 0,10 0,50 1,00 1,50 2,00 100 χ (cis) 0,80 0,379 0,19 0,14 0,12 0,12 9 8 5 9 3
a) Tính hằng số cân bằng của phản ứng đồng phân hóa cis-trans tại 60oC và 80oC
Động học của phản ứng đồng phân hóa có thể được mô tả bởi phương trình:
Trong đó [A] là nồng độ của đồng phân cis tại thời điểm t, [A]o và
lần lượt là nồng độ
đầu và nồng độ cân bằng của đồng phân cis
b) Tính hằng số tốc độ k1 và k-1 tại nhiệt độ 60oC và 80oC
c) Tính năng lượng hoạt hóa của phản ứng đồng phân hóa cis-trans 4