2020年(令和二年)日本东京大学二次试验试题(化学)

2020年（令和二年）日本东京大学二次试验试题（化学）第一问本大题包含I、II两题。

一些必要的数值列举如下。

有机化合物的结构式例子：I、读下面的文章，回答一~六题。

某天然化合物A，分子量为286，仅由碳、氢、氧组成。

71.5 mg A完全燃烧后，生成143 mg二氧化碳和40.5 mg水。

A可水解为等物质的量的化合物B和化合物C。

B的水溶液与斐林试剂混合加热后有红色沉淀生成，而A的水溶液在同样条件下无沉淀生成。

C与氯化铁(III)水溶液混合后呈现出特殊的颜色，而A则不会。

纤维素和淀粉是由许多B缩合而成的多糖。

纤维素可被纤维素酶水解为纤维二糖。

淀粉可被淀粉酶水解为麦芽糖。

本题上方左侧的结构式例子表示的就是与这两种水解产物分子式相同的蔗糖结构式。

以上这些二糖都可被酶X或酶Y在水中分解为单糖。

酶X水解纤维二糖或酶Y水解麦芽糖都能生成B。

然而酶X无法水解麦芽糖，酶Y无法水解纤维二糖。

蔗糖与酶X在水中不反应，但与酶Y反应生成等物质的量的B和化合物D。

A可被酶X水解生成B和C，但不与酶Y反应。

C经酸化后可制得化合物E。

E存在分子内氢键，且与碳酸钠水溶液混合后产生二氧化碳。

E的无水酸酐与浓硫酸反应可制备一种作为解热镇痛剂的化合物F。

问题一、写出化合物A的分子式。

二、写出化合物B、D、F的名称。

三、化合物B能以链状或环状结构存在。

分别指出这两种结构中不对称碳原子的个数。

四、纤维二糖、麦芽糖、蔗糖三种二糖中，哪些可发生划线标注的反应生成红色沉淀？陈述理由。

五、写出化合物C的结构式。

六、写出化合物A的结构式。

II、阅读下面的文章，回答七~十一题。

纤维素是地球上含量最大的有机化合物，被认为是发展不依赖石油资源的新一代化学工业的重要物质。

纤维素在浓硫酸中加热后生成的产物中存在非主要产物化合物G。

G仅含C、H、O三种元素，可用于合成生物燃料、可生物降解高分子、医药品等。

为探究G和由G合成的可生物降解高分子H的化学性质，进行了如下1~3实验。

实验1：丙酮的水溶液与过量NaI在酸性条件下反应生成具有特殊臭味的黄色化合物I沉淀。

反应完成后的溶液中存在醋酸钠。

将丙酮替换为G，在相同反应条件下同样会生成I沉淀。

随后将I从溶液中移除，向剩下的溶液中滴加盐酸酸化，有直链状化合物J和K生成。

J 和K的碳原子数目均比G少一个。

K中有不对称碳而J中没有。

取58.0 mg G溶于水中，用0.200 mol/L的碳酸钠水溶液滴定，滴定终点时消耗滴定液2.50 mL。

另外，用0.200 mol/L的碳酸钠水溶液滴定含67.0 mg K水溶液，滴定终点时消耗滴定液5.00 mL。

实验2：J和1,2-乙二醇混合后发生缩合反应，二者以物质的量1:1结合形成醚键，生成平均聚合度为100，平均分子量为1.44×104的高分子H。

实验3：K受热后自身脱一分子水，形成化合物L。

L在光照条件下会部分转化为几何异构体M。

L和M都能与臭氧反应。

将M从L中分离，高温下长时间加热M可使M经分子内脱水生成化合物N。

问题七、写出化合物I的分子式。

八、据实验2的数据计算化合物J的分子量。

九、依照下面的例子，写出高分子H的结构式。

十、写出化合物K、L、N的结构式。

无需考虑对映异构体。

十一、写出化合物G的结构式。

第二问本大题包含I、II两题。

一些必要的数值列举如下。

阿伏伽德罗常数N A = 6.02×1023/mol√2=1.41,√3=1.73I、阅读下面的文章，回答一~六题。

空气的主要成分为N2和O2，同时含有微量的稀有气体（惰性气体）、H2O（水蒸气）和CO2等成分。

瑞利和拉姆齐注意到，○1从空气中除去O2、H2O、CO2后余下气体密度比○2通过化学反应制备的纯净氮气的密度明显偏大，从而发现了Ar。

空气中的CO2能通过绿色植物的光合作用被还原为糖。

受此反应启发，科学家们正在研发利用光能将CO2转化为有价值化合物（如CH3OH、HCOOH）的人工光合作用。

○3问题一、选出下列有关稀有气体描述正确的选项。

（1）除He外，稀有气体都有8个价电子数。

（2）将稀有气体充入放电管中施加高电压会发出特定颜色的光。

（3）He原子在所有稀有气体原子中具有最大的第一电离能。

（4）Kr原子与碘化物中的I-具有相等的电子数。

（5）因HCl的分子量比Ar高，因而HCl的沸点更高。

二、对空气按顺序进行如下操作可获得划线○1处的气体。

回答每步操作所移除的空气成分。

假设空气为N2、O2、Ar、H2O、CO2的混合气体。

操作1：通入NaOH水溶液中操作2：通过盛有红热Cu的容器操作3：通入浓硫酸三、同温同压下，问二中所得气体的密度比纯N2大0.476%。

求问二所得气体中Ar的体积百分数和实验所用空气中Ar的体积百分数。

保留2位有效数字。

假定空气中N2的体积百分数为78.0%。

四、对于问二的操作2，若用红热的Fe代替红热的Cu，最终所得气体密度会比用红热Cu获得的气体密度小。

用化学反应方程式简要解释原因。

五、划线○2处的反应是加热NH4NO2水溶液生成N2。

写出该化学反应方程式并指出氮元素反应前后的化合价。

六、考虑划线○3处有关的CO2和H2O反应生成HCOOH和O2的反应。

该反应可理解为是CO2还原和H2O的析氧（酸性条件）两个半反应相结合的反应。

分别写出这两个半反应的方程式。

电子用e–表示。

II、阅读下面的文章，回答七~十题。

判断多核分子和离子的立体结构需要考虑电子对之间的排斥力。

例如，CH4分子中碳原子○4周围四个电子对为维持最小排斥力分布为正四面体。

同样地，H2O分子中O原子周围的四对电子（两对成对电子及两对孤对电子）互相排斥形成折线型分子。

双键和叁键在考虑电子对排斥时均当作一对电子。

例如，CO2分子中碳原子周围的两对电子（两个C=O双键）互相排斥形成直线型分布。

大量分子通过分子间吸引力规则排列为固体分子晶体。

例如，CO2在低温下形成如图2-1所示的立方体晶胞。

该晶体中，CO2分子中的碳原子占据晶胞的顶点和面心，氧原子靠近相邻○5CO2分子中的碳原子。

图2-1 （左）CO2晶体结构示意图。

（右）考虑分子实际大小后的CO2晶体结构。

问题七、当各原子周围的电子数与同周期稀有气体最外层电子数相等时，电子配置最稳定，如下列电子式例子。

据此写出链状分子HCN和亚硝酸根NO2–的电子配置最稳定的电子式。

若存在多个答案符合要求，只需写一种。

（例）八、据划线○4处的信息，指出下列最稳定电子配置对应的立体结构为直线型的所有分子和离子。

HCN NO2–NO2+O2N3–九、图2-1所示的CO2晶体结构中，相距最近的两碳原子之间的距离为0.40 nm。

据此计算CO2的晶体密度。

单位用g/cm3，保留2位有效数字。

需展示计算过程。

十、从电负性角度解释划线○5处氧原子靠近相邻CO2的碳原子的原因。

第三问本大题包含I、II两题。

一些必要的数值列举如下。

气体常数R = 8.31×103 Pa·L/(K·mol)I、阅读下面的文章，回答一~五题。

美洲和非洲的许多盐湖的湖底泥中存在一种名为Trona的矿石。

其主要成分为碳酸钠、碳酸氢钠、结晶水。

其中碳酸钠是工业生产的原料和洗涤剂成分。

取4.25 g Trona矿石于25 °C溶解于水中，定容至200 mL。

向该溶液中滴加酚酞，用1.00 ○1mol/L盐酸滴定，溶液变色时消耗20.0 mL盐酸（第一反应）。

接下来，向滴定后的溶液中加入甲基橙继续滴定，变色时需消耗40.0 mL盐酸（第二反应）。

以上两次滴定无需考虑空气中CO2对滴定终点的影响。

假定实验所用的Trona矿石仅由碳酸钠、碳酸氢钠和结晶水组成。

问题一、写出第一反应和第二反应对应的化学反应方程式。

二、第一反应终点时溶液的pH与0.10 mol/L碳酸氢钠水溶液pH值相同。

现欲求此pH值。

完成如下相关求解过程。

其中~ 中填入数值。

水溶液中离子或化合物的浓度用[Na+]或[H2CO3]表示。

碳酸的两次电离方程式和平衡常数为CO3↔H++HCO3− K1=HHCO3−↔H++CO32− K2=已知25 °C时，log10K1=−6.35，log10K2=−10.33。

据碳酸钠水溶液中物料守恒可得[Na+等式成立。

据水溶液电荷守恒可得等式成立。

根据以上方程可注意到[H+]和[OH–]远小于[Na+]。

因此，[H+]可用K1和K2表示如下：[H+因此，欲求的pH为三、求划线○1处Trona矿石中碳酸钠、碳酸氢钠和结晶水的物质的量之比。

四、求划线○1处Trona矿石水溶液的pH。

五、健康人类的血液pH为近中性。

这是通过二氧化碳溶解于血液中的水并电离而维持的。

利用离子方程式简要解释向血液中加入微量酸（H+）或微量碱（OH–）后血液仍能维持一定pH的原因。

II、阅读下面的文章，回答六~十题。

火山喷发是由于地下深处高温高压的熔融岩石（岩浆）上升喷出地面所致。

岩浆在地下深其中可挥发性成分变成气体（火山气），因此火山处呈液体，当向上移动时，由于气压降低，○2喷出物实际是气体和液体的混合物（图3-1）。

气体逸出后的岩浆表观密度比气泡生成前要小。

○3该密度减小的过程加速了岩浆上升，最终形成喷火。

图3-1 火山活动模式图一部分火山气逸出岩浆后可顺着地表裂缝喷出（图3-1）。

表3-1汇总了刚逸出岩浆时的火山气组成（成分与摩尔分数）。

上升过程会使式1的平衡会发生移动，从而改变气体组分。

火原因之一为式1平衡的正反应非常完全。

山口往往有单质硫沉积，○4SO2(g)+3H2(g)↔H2S(g)+2H2O(g)(式1）表3-1 火山气的组成问题六、划线○2处：考虑地下3 km附近的含1.00%质量分数水的岩浆。

计算1.00 L该岩浆中的水完全气化后形成的水蒸气体积，保留2位有效数字。

写出计算过程。

假设地下 3 km处的压力为8.00×107Pa，温度为1047 °C。

水蒸气逸出岩浆前的密度为2.40×103g/L。

视水蒸气为理想气体。

七、划线○3处：利用问六的条件，计算含液体和气体的岩浆表观密度是气泡生成前岩浆表观密度的多少倍？保留2位有效数字。

气液混合物的密度 = (液体质量+气体质量)/(液体体积+气体体积)。

气体产生前后液体体积变化忽略不计。

八、式1的正反应在常温常压下反应焓变为正。

计算该焓变并写出必要的热化学方程式。

常温常压下SO2(g)、H2S(g)、H2O(l)的生成焓分别为296.9 kJ/mol，20.2 kJ/mol，285.8 kJ/mol。

H2O(l)的蒸发焓为44.0 kJ/mol。

九、在中填入恰当的词语完成下面有关式1平衡移动的语句。

其中和中填“正”或“逆”。

压力恒定温度降低时，平衡向反应方向移动，即式1的反应移动。