2017年全国高中学生化学竞赛(决赛)理论试题、参考答案、详细解析

第31届中国化学奥林匹克（决赛）试题

第1题（11分）

1-1 1.000 g铝黄铜合金（设只含有铜、锌、铝）与0.100 moldm-3硫酸反应，在25 °C和101.325 kPa下测得放出的气体的体积为149.3 cm3,将相同质量的该合金溶于足量热浓硫酸，在相同温度和压强下测得放出的气体的提交为411.1 cm3,计算此铝黄铜合金中各组分的质量分数。

主要考察基本的计算和硫酸的酸性和氧化性。

铜不能和常温下的硫酸反应，所以第一步只有Zn和Al被H+ 氧化成Zn2+和Al3+；当硫酸温度提高浓度加大时，SO42-具有氧化性，可将Cu，Al和Zn全部氧化到最高价态，自身被还原成SO2。

计算的具体步骤很简单，如下：

由已知三种组分的总质量为1.000 g，即

M（Cu）n（Cu）+ M（Al）n（Al）+ M（Zn）n（Zn）= m（总）（1）

合金与0.100 mol／L 的硫酸在低温下反应的方程式如下：

Zn + 2 H+→ Zn2+ + H2 (g)

2 Al + 6 H+→ 2 Al3+ +

3 H2 (g)

放出气体H2 149.3 cm3，由pV = nRT

n（H2）= pV(H2) /RT（2）由上述方程式知

n（Zn）+ 3/2 n（Al）= n（H2）（3）合金与0.100 mol／L 的浓硫酸在高温下反应的方程式如下：

Zn + 2 H2SO4 (浓) → ZnSO4 + SO2 (g) + 2 H2O

2 Al + 6 H2SO4 (浓) → Al2(SO4)

3 + 3 SO2 (g) + 6 H2O

Cu + 2 H2SO4 (浓) → CuSO4 + SO2 (g) + 2 H2O

放出气体SO2 411.1 cm3，由pV=nRT

n（SO2）= pV(SO2)/RT（4）由上述方程式知：

n（Zn）+ 3/2 n（Al）+ n (Cu) = n（SO2）（5）由已知

M（Cu）= 63.55 g/mol，M（Al）= 26.98 g/mol，M（Zn）= 65.38 g/mol

R = 8.31441 J/K mol，T = 25 + 273.15 = 298.15 K，p = 101.325 kPa

V(H2) = 149.3 cm3，V(SO2) = 411.1 cm3，m（总）= 1.000 g

联立（1）、（2）、（3）、（4）、（5）可得

n（Cu）= 1.070 ×10-2

n（Al）= 1.112 ×10-3

n（Zn）= 4.434 ×10-3

w%（Cu）= m（Cu）n（Cu）／m（总）= 68.0%

w%（Al）= m（Al）n（Al）／m（总）= 3.0%

w%（Zn）= m（Zn）n（Zn）／m（总）= 29.0%

1-2 向[Cu(NH3)4]SO4水溶液中通入SO2气体至溶液呈微酸性，析出白色沉淀CuNH4SO3。CuNH4SO3与足量的硫酸混合并微热，得到金属Cu等物质，本法制得的Cu呈超细粉末状，有重要用途。

1-2-1 写出生成CuNH4SO3的反应方程式。

写方程式属于最基本考点。

注意到Cu（II）被还原到了Cu（I），所以必然SO2中的S（IV）被氧化到S（VI）（SO42-）。

需要注意的是溶液呈微酸性，所以与Cu2+络合的NH3会以NH4+的形式存在。

具体方程式如下（写离子方程式亦可）：

2 [Cu(NH3)4]SO4 +

3 SO2 +

4 H2O → 2 CuNH4SO3 + 3 (NH4)2 SO4

1-2-2 写出CuNH4SO3与H2SO4作用的反应方程式，若反应在敞开反应器中进行，计算反应物中的Cu元素变成超细粉末Cu的转化率。

写方程式属于最基本考点。

注意到Cu 处于+1价态，所以应在酸性条件下发生歧化反应。同时敞开反应器提示有气体生气，不难推断气体为SO 2。写出方程式，即可计算出转化率为50%。

具体的反应方程式如下:

2 CuNH 4SO

3 + 4H + → Cu + Cu 2+ + 2 HN 4+ +2 SO 2 ↑ + 2 H 2O

注意到2 mol Cu + 中 1 mol 生成Cu

，1 mol 生成Cu 2+，所以转化率为50% 。

1-2-3 若反应在密闭容器中进行，且酸量充足，计算反应物中的Cu 元素变成超细粉末Cu 的转化率，并对此作出解释。

主要考察同学们对于知识的综合分析。

注意到题目特意强调了反应在密闭容器中进行，而且酸量充足。

那么由1-2-1的提示，1-2-2新生成的SO 2会继续同溶液中的Cu （NH 3）4SO 4反应，

生成CuNH 4SO 3，然后1-2-2中的反应继续发生。

把1-2-1和1-2-2两个方程叠加，会发现最后的总反应是Cu + 把SO 2氧化成SO 42-，自身被还

原生成了Cu 。如此循环往复，所有的Cu +都被还原，所以转化率应为100%。

第2题（12分） 已知：K a1Θ（H 2S ）=1.1×10-7，K a2Θ（H 2S ）=1.3×10-13，K sp Θ(ZnS )=2.5×

10-22，假定本题两杯中的液体体积始终等于1.00 dm 3,且H 2S 饱和溶液的浓度均等于0.100 moldm -3，天平两盘各有一盛着1.0 dm 3 H 2O 的烧杯，天平平衡。

2-1 向左杯中溶入2.72 g ZnCl 2，试通过计算说明，为使天平再次平衡需向右杯中加入多少克Na 2O 2?

过氧根离子O 2-在水中会发生歧化反应，放出氧气O 2。写出反应方程式简单计算即可。 方程式和具体过程如下：

左杯：加入了2.72g ZnCl 2