Đề thi HSG Hóa học 10 Trường THPT Chuyên Lê Thánh Tông - Quảng Nam

HỘI CÁC TRƯỜNG CHUYÊN
ĐỀ THI MÔN HÓA HỌC
VÙNG DUYÊN HẢI VÀ ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ KHỐI 10 - NĂM 2024
TRƯỜNG THPT CHUYÊN LÊ THÁNH TÔNG Thời gian: 180 phút QUẢNG NAM
(Đề thi có 08 trang, gồm 8 câu) ĐỀ THI ĐỀ XUẤT
Cho biết: C = 12; N = 14; Li = 7; O = 16; Al = 27; Cl = 35,5; P = 31; ZC = 6; ZN = 7;
ZO = 8; T(K) = t(oC) + 273; 1 bar = 105 N.m-2; 1 atm = 1,01325.105 N.m-2; 1 pm = 10-12 m; F = 96 485 C mol-1; Ở 298 K:
; NA = 6,022.1023 mol-1; 1J = 1W.s;
1 kW = 103 W; 1 kPa = 103 Pa; ε0 = 8,854.10-12 C2 J-1 m-1; e = 1,602.10-19 C.
Hằng số khí, R = 8,314 J.K-1.mol-1 = 0,082 atm.L.mol-1.K-1.
Kí hiệu: s: rắn; l: lỏng; g: khí (hơi); aq: dung dịch nước.
Câu 1. (2,5 điểm) Cấu tạo nguyên tử. Phản ứng hạt nhân. Định luật tuần hoàn.
1.1. Năm 1913, Bohr đã phát triển mô hình của ông về nguyên tử hydrogen. Mô hình này
dựa trên giả thiết rằng nguyên tử có các quỹ đạo tròn ổn định, trong đó các electron có vị
trí xác định mà không bức xạ năng lượng. Electron chuyển từ quỹ đạo n1 đến n2 sẽ kéo
theo việc hấp thụ hoặc bức xạ ánh sáng (photon) có bước sóng xác định. Thế năng của
electron trong trường tĩnh điện của hạt nhân là:
Trong đó: e - điện tích cơ bản, π – số Pi, ε0 – hằng số điện, rn – bán kính của orbital thứ n,
rn = a0.n2 với a0 – bán kính của quỹ đạo Bohr thứ nhất (bán kính Bohr). Cho biết giá trị
động năng của nguyên tử hydrogen chỉ nhỏ bằng ½ và ngược dấu với thế năng của nó.
Năng lượng của nguyên tử hydrogen là -2,189.10–18 J.
a) Tính bán kính Bohr a0 và khoảng cách cực tiểu giữa các quỹ đạo thứ 4 và thứ 3 (theo
pm). Cho biết năng lượng tổng của phân tử H2 là -3070 kJ/mol (năng lượng được đo từ
năng lượng của hạt nhân và các electron ở trạng thái nghỉ, nằm ở những vị trí cách xa nhau vô tận).
b) Tính năng lượng liên kết giữa các nguyên tử hydrogen trong phân tử này.
1.2. Trong Mặt trời, có xảy ra một chuỗi các phản ứng hạt nhân nằm trong chu trình carbon - nitrogen như sau: 1 (1) ; (2); (3); (4); (5); (6).
a) Hoàn thành các phản ứng hạt nhân trên, viết phương trình tổng quát cho chu trình carbon - nitrogen.
b) Hạt nhân nào được coi là xúc tác của quá trình? Hạt nhân nào được coi là hạt nhân trung gian?
c) Tính năng lượng giải phóng ra nếu có 1 gam 1H tham gia vào chu trình này.
Cho biết: Khối lượng mol nguyên tử của 1H và F lần lượt là 1,00782 g/mol và
4,00260 g/mol. Khối lượng của positron
là 9,10939.10-28 g. Tốc độ ánh sáng trong chân không c = 2,998.108 m/s.
1.3. Giả thiết ở một vũ trụ khác, các định luật vật lí được đặt lại khác với ở vũ trụ của
chúng ta. Bảng hệ thống tuần hoàn vì vậy được sắp xếp theo một trật tự khác. Các số
lượng tử n, l, ml, ms giờ đây được gọi là m, n, p, q tương ứng. Quy luật của chúng như sau:
(1) m nhận các giá trị số nguyên dương (m > 0): 1, 2, 3, 4, …
(2) n nhận các giá trị số nguyên dương chẵn nằm trong đoạn [0, m] (số 0 được coi là số chẵn).
(3) p nhận các giá trị số nguyên lẻ. Với p dương thì n ≤ p ≤ 2n, với p âm thì -2n ≤ p ≤ - n.
(4) q nhận hai giá trị là ± ½.
Bằng lập luận, hãy cho biết có bao nhiêu nguyên tố có m = 6 ?
Câu 2. (2,5 điểm) Cấu tạo phân tử. Tinh thể.
2.1. Thực nghiệm cho biết, NH3 phản ứng với BF3 tạo thành chất rắn X duy nhất, có màu trắng.
a) Viết phương trình hóa học của phản ứng. Cho biết phản ứng đó thuộc loại nào? Tại sao?
b) Viết công thức Lewis của mỗi phân tử trong phản ứng trên. Cho biết dạng hình học của
mỗi phân tử đó theo thuyết VSEPR (thuyết về sự đẩy giữa các cặp electron ở lớp vỏ
nguyên tử). Dự đoán giá trị của góc liên kết trong phân tử chất X.
2.2. Sắt (iron) tồn tại hai dạng thù hình đều có dạng lập phương là Fe-α độ đặc khít 68%
(bán kính kim loại 0,124 nm) và Fe-γ độ đặc khít 74% (bán kính kim loại 0,128 nm). 2
a) Trong quá trình luyện gang, thép, một lượng nhỏ carbon thường xâm nhập vào các pha
tinh thể của sắt làm các nguyên tử sắt cách xa nhau hơn. Hãy dự đoán vị trí xâm nhập của
carbon vào mỗi dạng thù hình và vẽ sơ đồ ô cơ sở sau khi bị một nguyên tử carbon xâm nhập.
b) Bán kính cộng hóa trị của carbon là 0,077 nm. Hỏi độ dài cạnh a của ô mạng cơ sở sẽ
tăng thêm bao nhiêu khi Fe-α và Fe-γ có chứa carbon so với hai dạng tương ứng ở trạng
thái nguyên chất. Có thể kết luận gì về khả năng xâm nhập của carbon vào 2 loại tinh thể sắt trên.
Câu 3. (2,5 điểm) Nhiệt hóa học.
3.1. Trong công nghiệp, ammonia được ưu tiên sử
dụng trong các hệ thống làm lạnh vì đây là tác nhân
không gây hiệu ứng nhà kính cũng như làm thủng
tầng ozone. Để thiết kế hệ thống làm lạnh trong công
nghiệp, các nhà kĩ sư cần xây dựng mô hình khảo sát
ảnh hưởng các yếu tố khác nhau đến hiệu quả hoạt
động của tác nhân ở dạng lỏng. Trên thực tế, tại
điểm bắt đầu trao đổi nhiệt với môi trường (điểm 0), một phần NH3 lỏng tồn tại ở dạng hơi.
Giả sử trong một chu trình hoạt động, 1 mol ammonia được sử dụng. Các tính chất nhiệt động được cho như sau:
+ Enthalpy bay hơi ΔHvap = 23,35kJ/mol tại Tvap = 239,8 K (nhiệt độ sôi tại 1 bar)
+ Nhiệt dung của pha lỏng CV(liq) = 77 J.K-1.mol-1, pha khí CV(gas) = 26,7 J.K-1.mol-1. Giả sử
rằng, nhiệt dung không phụ thuộc vào nhiệt độ và NH3 hơi được xem như khí lí tưởng.
+ Nhiệt độ phụ thuộc vào áp suất hơi bão hòa NH3 được mô tả theo công thức sau:
Trong suốt giai đoạn đầu của chu trình (đường 0-1), hỗn hợp cân bằng khí – lỏng
nhận nhiệt từ môi trường tại áp suất không đổi P1 = 3,0 bar. Sau đó, tác nhân được hóa hơi
hoàn toàn và nâng đến nhiệt độ T1 = 275 K. Tại điểm bắt đầu (điểm 0), phần mol của hơi NH3 là x = 0,13.
a) Tính T0 và sự thay đổi thể tích ΔV trong quá trình 0-1.
b) Tính ΔU của quá trình NH3 (lỏng) ⇌ NH3 (hơi) ở T0 và áp suất 3,0 bar. 3
3.2. Các phương tiện vận tải hiện đại đa phần sử dụng nhiên liệu hóa thạch, hiệu suất lý
thuyết của động cơ nhiệt thực tế bị giới hạn và thường dao động từ 20 đến 40%. Việc sử
dụng các pin nhiên liệu là một cách để cải thiện hiệu suất động cơ cho các loại xe trong
tương lai. Hiệu suất động cơ có thể được cải thiện bằng cách sử dụng các pin nhiên liệu hydrogen.
a) Enthalpy tạo thành chuẩn của nước lỏng
(H2O, l) = -285,84 kJ mol-1, enthalpy cháy chuẩn của isooctane
(C8H18, l) = -5065,08 kJ mol-1 (cả 2 giá trị này ở nhiệt độ 323,15
K). Tính các giá trị enthalpy cháy riêng phần (có đơn vị năng lượng trên khối lượng) của
isooctane lỏng tinh khiết và hydrogen khí nguyên chất tại 323,15 K.
b) Tính sức điện động chuẩn (EMF) của một pin nhiên liệu sử dụng khí oxygen và
hydrogen, cho rằng cả hai đều là khí lý tưởng ở 100 kPa và 323,15 K, để tạo ra nước lỏng.
Sử dụng dữ liệu entropy cho ở 323,15 K như sau:
So(H2O,l) = 70 J K-1 mol-1, So(H2, g) = 131 J K-1 mol-1, So(O2, g) = 205 J K-1 mol-1.
Biết 1 V = 1 J C-1; F = 96 485 C mol-1.
c) Xác định hiệu suất nhiệt động lí tưởng (η) của một pin nhiên liệu tạo ra nước lỏng ở
353,15 K. Ở nhiệt độ này, enthalpy tạo thành của nước là (H2O, l) = -281,64 kJ mol-1
và biến thiên năng lượng Gibbs của phản ứng tương ứng là ΔrGo = -225,85 kJ mol-1.
d) Tính khối lượng hydrogen cần thiết sử dụng cho một chiếc xe ô tô chạy từ thành phố A
đến thành phố B (120 km) ở tốc độ trung bình 60 km h-1, xe được trang bị động cơ điện
310 kW nhưng chỉ chạy trung bình ở mức 15% công suất tối đa của nó. Giả sử hiệu suất
tạo ra điện của pin nhiên liệu hydrogen là 75%, hiệu suất của động cơ điện là 95%, biến
thiên năng lượng Gibbs cho sự đốt cháy hydrogen trong pin là ΔrG = -226 kJ mol-1.
Câu 4. (3,0 điểm) Động hóa học (không cơ chế). Cân bằng hóa học trong pha khí.
4.1. Xét động học của một quá trình sau đây:
Giả sử rằng nguyên lý nồng độ ổn định có thể áp dụng được cho hệ thống trên. Hãy xác
định nồng độ của ba tiểu phân K, L, M tại trạng thái cân bằng. Biết rằng k1 = 0,20s-1; k2 =
0,5s-1 và k3 = 1s-1. Tổng nồng độ ba chất là 3 M. 4.2. 4