元素化学06：氢、氧和水
（时间：2.5小时满分：100分）
第一题（7分）离子型氢化物
氢元素可以和金属元素化合生成离子型化合物和配合物
1．写出CaH2与Na2CO3溶液的反应的方程式；
2．写出NaBH4、LiAlH4分别与水反应的方程式；
3．在两个烧杯中分别有100g蒸馏水，在第一个烧杯中加2g固体A，在第二各烧杯中加入2g固体B，两种物质均完全和水反应，且在两种情况下都放出相同体积的气体C，然后向两个烧杯各通入1.12L CO2气体，使与其中含有的物质完全反应，同时形成相同质量的盐，当向两个烧杯继续通入1.12L CO2时，第一个烧杯中盐的质量增加了0.62倍，第二个烧杯中盐的质量没有变化。试确定A、B、C的化学式。
第二题（8分）O2的溶解和去除
1．光学实验表明：氧溶于水后有氧的水合物O2·H2O和O2·2H2O生成，其中后者较不稳定，写出它们的结构简式；
2．已知氧气在水中的溶解度为氮气的2倍，考虑到空气中氮气和氧气的含量，估算空气溶于水后的氧气和氮气的体积比。
3．通电分解水实验所产生的O2和H2的体积比（理论值）为1︰2。已知，在标准状况下H2的密度为0.0899g/L，O2的密度为1.429g/L。但根据该实验计算得到的O2的密度为1.438g/L。试分析O2的密度出现误差的主要原因（不包括操作失误和仪器失准所致）。
4．除去高压锅炉用水中溶解的氧气常用的试剂有N2H4（肼）、Na2SO3。
（1）写出两种试剂和O2的反应方程式；
（2）与N2H4相比，用Na2SO3的缺点是什么？
第三题（13分）氢能源
能源是当今社会发展的三大支柱之一，是制约国家经济发展的瓶颈。目前，我国的能源结构主要是煤，还有石油、天然气、核能等，这些能源都是一次不可再生且污染环境的能源，研究和开发清洁而又用之不竭的能源是未来发展的首要任务。科学家预测“氢能”将是未来21世纪最理想的新能源。氢能是利用氢气的燃烧反应放热提供能量，即H 2＋1/2O 2＝H 2O ，ΔH ＝－284kJ 。1．当今社会发展的三大支柱除能源外，还包括哪2项；2．试分析为什么“氢能”将是未来21世纪最理想的新能源？
3．目前世界上的氢绝大部分是从石油、煤炭和天然气中制取。如：用水蒸气与炽热的碳反应为C ＋H 2O ＝CO ＋H 2。请在写出由天然气制取氢的反应方程式。并分析此类制氢是否是理想的长久方法。
4．利用硫－碘热循环法制取氢也是化学家常用的一种方法，总反应方程式为
2H 2O −−→−22/I SO 2H 2＋O 2，其循环过程分三步进行：
① SO 2＋I 2＋H 2O →A ＋B  ② A →？＋？  ③ B →？＋？＋？
（1）完成以上三步反应，并确定哪步反应最难进行。
（2）请对硫－碘热循环法制取氢的优劣和前景作一分析。
5．目前，氢总量只有4%左右由电解水的方法制取。（1）每生产1m 3氢气需要耗电约4度，请估算电解水中能量的利用率。
（2）电解水法制氢一方面消耗的电能比氢能释放的能量还要高，另一方面电能本身就是高效、清洁能源，以电能换氢能，成本很高，显然消耗电能来获得氢能的方法是得不偿失。请问用什么方法可以降低电解法制氢的成本。
6．目前，有人提出一种最经济最理想的获得的氢能源
的循环体系，如右图所示：
这是一种最理想的氢能源循环体系，类似于
（填理科教材中一名词），太阳能和水是用之不竭，而且价
格低廉。急需化学家研究的是                        。
7．列举两种方法简单安全地输送氢气。
水氢汽车
第四题（5分）硬水测定和软化
1．水中的Ca2＋和Mg2＋是引起水的硬度的主要因素，硬度的表示方法是：将水中的Ca2＋和Mg2＋都看作Ca2＋，并将其质量折算成Ca2＋的质量，以1L水中含有的CaO的质量来表示。可用一定浓度的Y溶液进行滴定，Y跟Ca2＋和Mg2＋都以等物质的量完全反应。该工厂现用地下水生产纯净水，取地下水样品25.0mL，用0.0100mol/L Y溶液滴定，完全反应时消耗Y溶液15.0mL。试判断该地下水是否可直接用来生产纯净水（硬度＜1.7mg/L）？
2－等
2．用含有主要杂质为Fe3＋、Al3＋、Na＋、Cl－、SO
离子的水置备去离子水时，应选用右图哪个流程，为什么？
第五题（10分）O2的离子化合物
－、O22－甚至O2＋的化合物是可能的，通常它们是在氧分子进行下
制备含O
列各种反应时生成的：
1．已知在上述型体中有一种是反磁的，指出是哪一种。
2．已知上述四种型体中O－O原子间的距离为112pm、121pm、132pm和149pm。有三种型体的键能约为200kJ/mol、490kJ/mol和625kJ/mol，另一种因数值不定未给出。把这些数值填在下表中合适的位置。
型体键级原子间距/pm键能/(kJ/mol)
O22
O2＋  2.5
O2－  1.5
O22－1
3．比较H2O2和HO2的酸性；
4．将O2、F2、BF3在低温下混合后用紫外光照射，生成了一种白晶体A，A不稳定，在室温下缓慢分解。X衍射表明A是1︰1型离子型化合物。
（1）写出A的化学式（表示出微观化学物种）；
（2）写出A与水的反应方程式；
（3）A的合成实际上分两步进行，第一步为O2与F2反应生成中间产物；第二步由中间产物与BF3发生氧化还原反应，该反应每生成1mol A则产生0.5mol的气体。写出两步反应。
在一定条件下，选用强氧化剂处理一定量水样时所消耗氧化剂的量，可以相对表示氧化水中还原性有机物即“需氧有机物”所需氧气的量。因此，若把每升水所能消耗氧化剂的量换算成相当量的O2（mg/L），就称为被测水样的“化学需氧量”，符号是COD。所用氧化剂有K2Cr2O7和KMnO4两种。使用K2Cr2O7测定的COD，表示为COD Cr。使用KMnO4测定水中需氧有机物，一般只适用于需氧有机物含量较低的天然水体，此时所得每升水KMnO4的耗用量（mg/L），就直接用来表示水体中需氧有机物的相对含量，特称为“高锰酸盐指数”。我国按水质从高到低，将地面水环境的质量标准分成Ⅰ～Ⅴ5类，其中的高锰酸盐指数、COD Cr和与此相关的每升水中所含溶解氧的量（mg/L）三项参数标准，如下表所示：
参数Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类Ⅳ类Ⅴ类
高锰酸钾指数＜246810
COD Cr＜15以下15以下152025
溶解氧≥饱和率90%6532试按下列要求分析表中的数据：
1．Ⅴ类水域为农业用水区，与集中式生活饮用水水源地二级保护区的Ⅲ类水域相比，为高锰酸盐指数和COD Cr所表明的水中需氧有机物控制量的最大极限值，前者是后者的几倍。
2．Ⅰ类水域，作为源头水的国家自然保护区，其高锰酸盐指数的标准为小于2，溶解氧标准为接近空气中O2在水中的饱和数据（饱和率为90%时的数据约为8.4mg/L）。规定两者数据一低一高的根据是什么？
3．取100.00mL水样，按操作规定，加入5mL 1︰3H2SO4酸化后，在沸水浴中能与2.50mL 的0.0020mol/L KMnO4溶液反应而刚好使红褪去。
（1）计算该水样的高锰酸盐指数；
（2）该指数符合一般工业用水区的几类水域的该项参数标准。
4．现有某废水样品20.00mL，加入10.00mL 0.0400mol/L K2Cr2O7溶液，并加入适量酸和催化剂，加热反应2小时。在指示剂存在下用0.100mol/L Fe(NH4)2(SO4)2溶液滴定多余的K2Cr2O7，共用去Fe(NH4)2(SO4)2溶液12.00mL。
（1）写出K2Cr2O7与Fe(NH4)2(SO4)2反应的方程式
（2）计算该废水水样的COD Cr。
（3）在锻造、机械、印染、造纸、电镀、蓄电池等工厂所排放的污水中，COD特别高的是哪个？
水是地球上数量最多的分子型化合物。据估算，地球上水的总量达1.4×1021kg。若地球表面平滑而没有起伏，地球表面将形成平均水深达2713m无边无际的汪洋。下图是水分子在不同条件下发生的一系列变化：
1．若不断地升高温度，实现“雪花→水→水蒸气→氧气和氢气”的变化。在变化的各阶段被破坏的粒子间的相互作用依次什么？
2．在气相中H2O易与HF、HCl、HCN及NH3通过氢键以加合物形式存在，写出加合物H2O·HCN、NH3·H2O的结构式。
3．在水溶液中，水以多种微粒的形式与其他化合物形成水合物。试画出微粒H5O2＋、H9O4＋的结构图式。
4．韩国首尔大学科学家将水置于一个足够强的电场中，在20℃时，水分子瞬间凝固形成了“暖冰”。请从结构上解释生成暖冰的原因
5．右图为冰的一种骨架形式，依此为单位向空间延伸.
（1）该冰中的每个水分子有几个氢键；
（2）如果不考虑晶体和键的类型，哪一物质的空间连接方式与这
种冰的连接类似。
（3）已知O－H…O距离为295pm，计算此种冰晶体的密度。
（4）冰、水和水蒸气三者间热学性质
的关系如右：
由上图的升华热、熔化热和蒸发热等数据能说明什么问题？