Đề chọn đội tuyển thi học sinh giỏi Hóa quốc tế năm 2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

KỲ THI CHỌN ĐỘI TUYỂN OLYMPIC NĂM 2012

ĐỀ THI CHÍNH THỨC

Môn: HÓA HỌC

Đề thi gồm 04 trang

Thời gian: 240 phút (Không kể thời gian giao đề)
Ngày thi thứ nhất: 16/4/2012

Cho: C = 12,0; N = 14,0; O = 16,0; P = 31,0; S = 32,0; Cl = 35,5; K = 39,1; Cu = 63,6;
Ga = 69,7; Y = 88,9; Ba = 137,3. R = 8,314 J.mol-1.K-1= 0,082 L.atm. mol-1.K-1.
Câu 1. (3,0 điểm)
1.1. Thật ra các khí hiếm cũng không hoàn toàn trơ về mặt hóa học. Ngày nay, người ta đã điều chế
được một số hợp chất của chúng, chẳng hạn các florua của xenon là XeF 2 và XeF4.
a) Viết công thức Lewis của XeF2 và XeF4.
b) Trong thuyết lực đẩy của các cặp electron hóa trị (thuyết VSEPR), người ta đưa ra công thức dạng
XBnLm (công thức VSEPR) cho biết số cặp electron liên kết (n) và số cặp electron tự do (m) xung
quanh nguyên tử trung tâm X. Hãy viết công thức VSEPR của XeF2 và XeF4.
c) Dựa vào thuyết VSEPR hãy cho biết dạng hình học electron và hình học phân tử của XeF 2 và XeF4
(kèm theo vẽ hình) và giải thích ngắn gọn về nguyên nhân chủ yếu làm cho các dạng hình học này là
ưu tiên.
Chú thích: Hình học electron cho biết phân bố không gian xung quanh nguyên tử trung tâm của cả các
nguyên tử và các cặp electron không liên kết. Hình học phân tử cho biết phân bố không gian của các
nguyên tử liên kết với nguyên tử trung tâm.
d) Số oxi hóa của Xe trong mỗi hợp chất trên là bao nhiêu? Các hợp chất này thường đóng vai trò chất
oxi hóa hay chất khử khi tham gia phản ứng hóa học?
1.2. Heli được biết như là nguyên tố "trơ" nhất trong mọi nguyên tố. Nhưng tính trơ của heli cũng chỉ

giới hạn trong phản ứng của nó với các nguyên tử và phân tử trung hòa khác. Ví dụ, nguyên tử heli có
thể tạo thành hợp chất quan sát được (không nhất thiết tồn tại lâu) với H +. Dùng thuyết obitan phân tử
(MO) để xác định bậc liên kết cho HeH+.
1.3. Các kết quả tính toán đã chỉ ra khả năng tồn tại của các cation 2 nguyên tử dạng XNe 2+ giữa Ne và
cation bền X2+. Các cation XNe2+ càng bền khi năng lượng ion hóa thứ hai của X càng nhỏ so với năng
lượng ion hóa thứ nhất của Ne. Trong các nguyên tố có điện tích hạt nhân từ 3 đến 18, hãy dự đoán:
a) Hai nguyên tố có khả năng nhất cho sự hình thành XNe2+.
b) Hai nguyên tố kém khả năng nhất cho sự hình thành XNe2+.
Câu 2. (3,0 điểm)
Các đồng vị phóng xạ có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của sản xuất và đời
sống. Để ít nhiều hiểu được tầm quan trọng của các đồng vị phóng xạ, trong bài tập này chúng ta sẽ
khảo sát ví dụ về ứng dụng của đồng vị phóng xạ trong y học và trong cung cấp năng lượng.
Xác định thể tích máu của bệnh nhân bằng phương pháp đo phóng xạ
67
67
2.1. Sự biến đổi của hạt nhân 31 Ga (với chu kì bán rã t1/2 = 3,26 ngày) thành hạt nhân bền 30 Zn xảy ra
khi hạt nhân 67Ga bắt một electron thuộc lớp K của vỏ electron bao xung quanh hạt nhân. Quá trình
này không phát xạ β+.
67
a) Viết phương trình của phản ứng hạt nhân biểu diễn sự biến đổi phóng xạ của Ga .
67
b) Chùm tia nào được phát ra khi Ga phân rã?
2.2. 10,25 mg kim loại gali đã làm giàu đồng vị 67Ga được sử dụng để tổng hợp m gam dược chất
phóng xạ gali xitrat (GaC6H5O6.3H2O). Hoạt độ phóng xạ của mẫu (m gam) dược chất là 1,09.10 8 Bq.
Chấp nhận rằng quá trình tổng hợp có hiệu suất chuyển hóa Ga bằng 100%.
a) Tính khối lượng của đồng vị 67Ga trong m gam dược chất được tổng hợp (cho rằng 67Ga là đồng vị
phóng xạ duy nhất có trong mẫu).
H1-Tr.1/4

b) Tính hoạt độ phóng xạ của 1 gam dược chất gali xitrat được tổng hợp ở trên.
2.3. Ngay sau khi tổng hợp, toàn bộ m gam dược chất phóng xạ được hòa tan trong 100 mL nước cất.
Sau 8 giờ, 1 mL dung dịch này được tiêm vào tĩnh mạch bệnh nhân. Sau khi tiêm 1 giờ, người ta lấy 1
mL mẫu máu của bệnh nhân và đo được hoạt độ phóng xạ 210,2 Bq .
a) Tính hoạt độ phóng xạ theo Bq của liều 1 mL dung dịch gali xitrat khi tiêm vào cơ thể bệnh nhân.
b) Tính thể tích máu của bệnh nhân ra mL. Giả thiết rằng toàn bộ gali xitrat chỉ phân bố đều trong
máu.
Nhiên liệu urani
Urani tự nhiên có thành phần đồng vị (về khối lượng): 99,274% 238U; 0,7205% 235U; 0,0055%
234
U. Các đồng vị này đều phóng xạ α. Chu kì bán rã của 238U: t1/2(238U) = 4,47.109 năm.
2.4. Trong tự nhiên, các đồng vị có mặt trong một chuỗi thoát biến phóng xạ nối tiếp, kết thúc ở một
đồng vị bền của chì có số khối từ 206-208, tạo thành một họ phóng xạ. (Chỉ có họ neptuni mở đầu
bằng 237Np kết thúc bằng 209Bi). Họ phóng xạ mở đầu bằng 238U gọi là họ urani (cũng gọi là họ urani –
rađi), còn họ phóng xạ mở đầu bằng 235U gọi là họ actini.
a) Viết các công thức chung biểu diễn số khối của các đồng vị họ urani và họ actini.
b) Trong 4 đồng vị bền của chì: 204Pb, 206Pb, 207Pb và 208Pb, những đồng vị nào thuộc vào các họ urani
và họ actini? 234U có thuộc họ urani không?
c) Sau thời gian đủ dài, các đồng vị con cháu có thời gian bán rã rất ngắn so đồng vị mẹ sẽ có hoạt độ
phóng xạ bằng hoạt độ phóng xạ của mẹ (cân bằng thế kỉ). Trong một mẫu quặng có chứa 10,00 gam
urani tự nhiên có bao nhiêu gam 226Ra? Chu kì bán rã của rađi: t1/2(Ra) = 1600 năm.
Giả định rằng các đồng vị phóng xạ không bị rửa trôi hoặc bay hơi.
2.5. Để chế tạo nhiên liệu cho các nhà máy điện hạt nhân, người ta thủy luyện quặng urani, tinh chế
urani khỏi các tạp chất, làm giàu đồng vị 235U đến khoảng 3 - 5% (về khối lượng), rồi chế tạo nhiên
liệu ở dạng các viên UO2. Trong kĩ thuật làm giàu đồng vị, hợp chất dạng khí của urani tự nhiên đi vào
hệ thống thiết bị làm giàu sẽ được tách ra thành 2 dòng: Dòng giàu và dòng nghèo đồng vị 235U. Dòng
urani nghèo được thải bỏ còn chứa 0,2% 235U.
a) Giả định rằng nhà máy điện hạt nhân dự kiến xây dựng tại Ninh Thuận sẽ sử dụng loại nhiên liệu
có độ làm giàu 4% 235U và mỗi tổ máy công suất 1000 MW tiêu thụ hàng năm 25 tấn nhiên liệu UO 2
(tương đương với 22,04 tấn urani kim loại). Để cung cấp nhiên liệu cho tổ máy này, hàng năm cần

khoảng bao nhiêu tấn urani tự nhiên?
b) Dung dịch thu được khi xử lí quặng urani bằng H 2SO4 được kiềm hóa để kết tủa urani. Trong nước
lọc sau kết tủa thường chứa rađi (ở dạng Ra2+). Có thể sử dụng phương pháp hóa học nào để tách rađi
khỏi nước lọc này nhằm bảo vệ môi trường?
Câu 3. (3,0 điểm)
3.1. Một chất A có thể đồng thời biến đổi thành chất B và chất C theo sơ đồ sau:
kAB, EAB, GAB
A kAC, EAC, G
AC

B
C

Với k, E, ∆G lần lượt là hằng số tốc độ phản ứng, năng lượng hoạt động hóa và biến thiên năng lượng
0
0
ΔGAB
ΔGAC
(298)
(298)
Gibbs. Cho: EAB < EAC; kAB = kAC ở 298K;
=
và ∆G của cả 2 phản ứng ít phụ thuộc
vào nhiệt độ.
Để tăng độ chọn lọc của sự tạo thành B, cần phải tăng hay giảm nhiệt độ, tại sao?
1
3.2. Cho phản ứng pha khí:
N2O5 (h)→ 2NO2 (k)+
O2 (k)
(1).

2
Thực nghiệm chứng tỏ rằng biểu thức định luật tốc độ của phản ứng trên có dạng v = k[N 2O5] với hằng
số tốc độ k = 3,46.10-5 s-1 ở 25oC. Giả thiết phản ứng diễn ra trong bình kín ở 25 oC, lúc đầu chỉ chứa
N2O5 với áp suất p(N2O5) = 0,100 atm.
a) Tốc độ đầu của phản ứng bằng bao nhiêu?
H1-Tr.2/4


b) Tính thời gian cần thiết để áp suất tổng cộng trong bình phản ứng bằng 0,175 atm ở nhiệt độ không
đổi (25oC). Tính đạo hàm d[N2O5]/dt tại thời điểm đó.
c) Ở cùng nhiệt độ nói trên, sau bao nhiêu lâu thì khối lượng N 2O5 trong bình chỉ còn lại 12,5% so với
lượng ban đầu?
d) Nếu phản ứng được viết ở dạng dưới đây, thì các giá trị tính được ở b) và c) thay đổi thế nào?
2N2O5 (h) → 4NO2 (k) + O2 (k)
(2)
O
O
Gọi K(1), ∆G (1); K(2), ∆G (2) lần lượt là hằng số cân bằng và biến thiên năng lượng Gibbs
của phản ứng (1) và (2). Ở cùng nhiệt độ và áp suất, hãy tìm biểu thức liên hệ ∆GO(1) với ∆GO(2); K(1)
với K(2).
3.3. Cho phản ứng pha khí : 2NO (k) + O2 (k) → 2NO2 (k)
(3)
2
Phản ứng (3) tuân theo định luật tốc độ thực nghiệm v = k[NO] [O2].
Giả định rằng phản ứng không diễn ra theo một giai đoạn sơ cấp. Hãy đề nghị một cơ chế có khả năng
cho phản ứng (3) và chứng tỏ rằng cơ chế ấy phù hợp với thực nghiệm động học.
Câu 4. (3,0 điểm)
4.1. Tính hằng số cân bằng K ở 250C của phản ứng:
Pb2+ (dd) + HCO3- (dd)

PbCO3 + H+(dd)

Cho biết ở 250C: T(PbCO3) = 7,4.10-14; pKa2(H2CO3) = 10,33.
4.2. PbCO3 và ZnO thường được sử dụng làm bột tạo màu trắng. H 2S trong không khí có thể làm hư
hại các bột màu này do các phản ứng sau:
PbCO3 (r) + H2S (k) →
PbS (r) + CO2 (k) + H2O (h)
(1)
ZnO (r) + H2S (k) →
ZnS (r) + H2O (h)
(2)
a) Tính hằng số cân bằng của các phản ứng (1) và (2).
b) Cần khống chế nồng độ tối đa của H2S trong không khí bằng bao nhiêu g/m3 để các bột màu nói trên
không bị hư hại?
c) Trong 2 chất màu nói trên, chất nào ưu thế hơn khi môi trường có H2S, tại sao?
d) Bằng cách xử lí với dung dịch H2O2, có thể làm trắng lại các mảng bị đổi màu do sự hình thành PbS.
Viết phương trình của phản ứng xảy ra trong cách xử lí này.
e) Hãy chứng tỏ rằng, về mặt nhiệt động học, oxi của không khí có thể thay thế H 2O2 trong phương
pháp xử lí trên.
g) Trong thực tế, ngay cả khi không khí chưa bị ô nhiễm nặng, chẳng hạn p(H 2S) = 5,1.10-9 atm, mầu
trắng của PbCO3 để lâu trong không khí vẫn bị xám dần đi do sự hình thành PbS. Hiện tượng này có
thể giải thích như thế nào?
Để tính toán có thể sử dụng các dữ kiện và bảng sau: T= 298K; áp suất khí quyển p = 1,000 atm;
% thể tích của các khí và hơi trong không khí: N2 77,90; O2 20,70; CO2 0,026; H2O (h) 0,40; các khí khác: 1,03.
PbCO3(r) H2S(k) PbS(r)
ΔfG°298
kJ/mol
Màu

- 626,0

trắng

- 33,0

ZnO(r)

ZnS(r)

CO2(k)

H2O(h)

- 92,6

- 318,0

- 184,8

- 394,2

- 228,5

đen

trắng

trắng

PbSO4(r) H2O2(l)
- 811,5

120,4

trắng

Câu 5. (2,5 điểm)
5.1. Ở điều kiện thường, hợp chất BCl3 tồn tại ở dạng đơn phân tử còn BH3 không bền, nó bị đime hóa
tạo thành B2H6. Giải thích tại sao?
5.2. Nguyên tố phi kim X phản ứng với Cl2 cho chất lỏng không màu A (tonóng chảy = -94 oC). Chất A tác
dụng với Cl2 dư trong dung môi CCl4 khan cho B (chất rắn màu trắng, tothăng hoa = 160 oC). Cho biết khối
lượng phân tử của B bằng 1,516 lần khối lượng phân tử của A. Hãy xác định A, B và vẽ cấu trúc phân
tử của chúng.
5.3. Cho khí BCl3 lần lượt đi qua bình đựng dung dịch A, B trong dung môi CCl4 khan tại nhiệt độ
thường. Người ta thấy ở bình đựng chất A không xảy ra phản ứng hóa học còn ở bình đựng chất B xuất
hiện kết tủa trắng D. Hãy dự doán (có giải thích) công thức hóa học của D, viết phương trình phản ứng
H1-Tr.3/4


và vẽ cấu trúc hình học của nó. Viết phương trình phản ứng xảy ra khi cho D tác dụng với lượng dư
H2O nóng.
5.4. Hoàn thành các phản ứng:
→
a) BCl3 + (CH3CH2)3N 
CCl
b) BCl3 + NaH (dư)
c) BCl3 + NH3

đun nóng

4


→
ete
o

1000 C

→

Cho biết: một sản phẩm của phản ứng (c) là chất rắn màu trắng, có cấu trúc tinh thể giống than chì.
Câu 6. (3,0 điểm)
Vật liệu siêu dẫn A là oxit hỗn hợp của Cu, Ba và Y
(ytri, nguyên tố thuộc phân nhóm IIIB, chu kì 5 trong bảng hệ
thống tuần hoàn). Bằng nhiễu xạ tia X, người ta xác định
Ba
được cấu trúc tinh thể của A. Có thể coi ô mạng cơ sở của A
(hình bên) gồm hai hộp chữ nhật giống nhau trong đó: Cu
Cu
chiểm vị trí các đỉnh, Ba ở tâm hình hộp còn O ở trung điểm
O
các cạnh nhưng bị khuyết hai vị trí (vị trí thực của O và Ba
Y
Y
hơi lệch so với vị trí mô tả). Hai hình hộp này đối xứng với
Y
nhau qua Y nằm ở tâm của ô mạng cơ sở.
Ba Ba
6.1. Hãy xác định công thức hóa học của A.
6.2. Tinh thể A được điều chế bằng cách nung nóng hỗn hợp

bột mịn của BaCO3, Y2O3 và CuO (theo tỉ lệ thích hợp) ở
1000oC trong không khí, rồi làm nguội thật chậm đến nhiệt độ
Ba
phòng. Hãy viết phương trình phản ứng điều chế A.
6.3. Một trong những lí giải tính siêu dẫn của A là dựa trên sự
có mặt đồng thời Cu+2 và Cu+3 trong tinh thể. Hãy chỉ rõ
nguyên tử Cu ở vị trí nào trong ô mạng cơ sở có số oxi hóa
+2, +3. Cho rằng các nguyên tố Y, Ba và O có số oxi hóa lần lượt là +3, +2 và -2.
6.4. Tùy thuộc vào điều kiện tổng hợp, công thức thực nghiệm của loại vật liệu này có thể khác với
công thức xác định được ở mục 6.1. chỉ về số nguyên tử oxi.
Để tìm công thức thực nghiệm của một mẫu vật liệu, người ta tiến hành thí nghiệm như sau:
Hòa tan 0,3315 gam mẫu vào dung dịch HCl loãng chứa sẵn lượng dư KI. Lượng I 2 sinh ra tác dụng
vừa đủ với 18,00 mL dung dịch Na 2S2O3 0,1000M. Hãy xác định công thức thực nghiệm của mẫu
nghiên cứu này.
Câu 7. (2,5 điểm)
Trộn 10,00 ml dung dịch SO 2 với 10,00 ml dung dịch Na 2SO3, được dung dịch A. Thêm 3 giọt
metyl da cam và chuẩn độ dung dịch thu được. Dung dịch đổi màu (pH = 4,4) khi dùng hết 12,50 ml
dung dịch NaOH 0,2000M. Thêm tiếp 3 giọt phenolphtalein vào hỗn hợp và chuẩn độ tiếp bằng NaOH
0,2000M. Sự đổi màu xảy ra (pH = 9,0) khi dùng hết 27,50 ml NaOH nữa.
7.1. Tính nồng độ mol/L của dung dịch SO2 và dung dịch Na2SO3 trước khi trộn.
7.2. Tính pH của dung dịch A sau khi trộn.
7.3. Hãy vẽ đường cong chuẩn độ dung dịch A bằng NaOH (đường cong chuẩn độ là đường biểu diễn
sự phụ thuộc của pH theo thể tích NaOH tiêu thụ).
7.4. Cho biết độ tan của BaSO 3 trong nước ở 25 oC bằng 0,016 gam/100 gam nước, chấp nhận khối
lượng riêng của dung dịch là 1g/mL. Hãy tính tích số tan của BaSO3.
Cho: pKa1(SO2 + H2O) = 1,76; pKa2(SO2 + H2O) = 7,21.
Ghi chú:

HẾT
- Thí sinh không được sử dụng tài liệu;

- Giám thị không giải thích gì thêm.
H1-Tr.4/4