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2015年第29届、2016年第30届中国化学奥林匹克(初赛)试题及答案(WORD版)


第 29 届中国化学奥林匹克初赛试题及答案
第 1 题(8 分)写出下列各化学反应的方程式。 1-1 将热的硝酸铅溶液滴入热的铬酸钾溶液产生碱式铬酸铅沉淀[Pb2(OH)2CrO4]。 1-2 向含氰化氢的废水中加入铁粉和 K2CO3 制备黄血盐[K4Fe(CN)6· 3H2O]。 - 1-3 酸性溶液中,黄血盐用 KMnO4 处理,被彻底氧化,产生 NO3 和 CO2。 1-4 在水中,Ag2SO4 与单质 S 作用,沉淀变为 Ag2S,分离,所得溶液中加碘水不 褪色。 第 2 题(12 分) 2-1 实验室现有试剂:盐酸,硝酸,乙酸,氢氧化钠,氨水。从中选择一种试剂, 分别分离以下各组固体混合物(不要求复原,括号内数据是溶度积) ,指出溶解 的固体。 (1)CaCO3(3.4×10-9)和 CaC2O4(2.3×10-9) (2)BaSO4(1.1×10-10)和 BaCrO4(1.1×10-10) (3)Zn(OH)2(3.0×10-17)和 Ni(OH)2(5.5×10-16) (4)AgCl(1.8×10-10)和 Agl(8.5×10-17) (5)ZnS(2.5×10-22)和 HgS(1.6×10-52) 2-2 在酸化的 KI 溶液中通入 SO2,观察到溶液变黄并出现混油(a),继续通 SO2, 溶液变为无色(b),写出与现象 a 和 b 相对应所发生反应的方程式。写出总反应 方程式(c),指出 KI 在反应中的作用。 2-3 分子量为 4000 的聚乙二醇有良好的水溶性, 是一种缓泻剂, 它不会被消化道 吸收,也不会在体内转化,却能使肠道保持水分。 2-3-1 以下哪个结构简式代表聚乙二醇?

2-3-2 聚乙二醇为何能保持肠道里的水分? 2-3-3 聚乙二醇可由环氧乙烷在酸性条件下聚合而成,写出反应式。 第 3 题(10 分) 3-1 早在 19 世纪初期,法国科学家 Dulong 和 Petit 测定比热时,发现金属的比热 (cm)与其原子量的乘积近似为常数 6cal· g-1· ℃-1(1cal=4.18J)。当时已知的原子量数 据很少,因此,可利用比热推算原子量,进而采用其他方法分析得到更精确的原 子量。 3-1-1 将 40.Og 金属 M 块状样品加热到 100℃,投入 50.0g 温度为 15.2℃的水中, 体系的温度为 17.2℃。推算该金属的摩尔质量。 3-1-2 取金属 M 的粉末样品 l.000g,加热与氧气充分反应,得氧化物 1.336g。计 算该金属的摩尔质量, 推测其氧化物的化学式(金属与氧的比例为简单整数比) 。 3-1-3M 是哪种金属? 3-2 电解法生产铝须用纯净的氧化铝。铝矿中常含石英、硅酸盐等杂质,需预先 除去。在拜耳法处理过程中,硅常以硅铝酸盐 (Na6A16Si5O22· 5H2O)“泥”的形式
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沉积下来。现有一种含 10.0%(质量)高岭土(A12Si2O7· 2H2O)的水铝石[Al(OH)3] 原料,计算纯化处理中铝的损失率。 第 4 题(8 分)腐殖质是土壤中结构复杂的有机物,土壤肥力与腐殖质含量密切 相关。可采用重铬酸钾法测定土壤中腐殖质的含量:称取 0.1500 克风干的土样, 加入 5mL0.10mol· L-lK2Cr2O7 的 H2SO4 溶液,充分加热,氧化其中的碳(C—CO2, 腐殖质中含碳 58%,90%的碳可被氧化) 。以邻菲罗啉为指示剂,用 0.1221mol· L-l 的(NH4)2SO4· FeSO4 溶液滴定,消耗 10.02mL。空白实验如下:上述土壤样品经高 温灼烧后,称取同样质量,采用相同的条件处理和滴定,消耗(NH4)2SO4· FeSO4 溶 液 22.35mL。 4-1 写出在酸性介质中 K2Cr2O7 将碳氧化为 CO2 的方程式。 4-2 写出硫酸亚铁铵滴定过程的方程式。 4-3 计算土壤中腐殖质的质量分数。 第 5 题(8 分)有一类复合氧化物具有奇特的性 质:受热密度不降反升。这类复合氧化物的理想 结构属立方晶系,晶胞示意图如右。图中八面体 中心是锆原子,位于晶胞的顶角和面心;四面体 中心是钨原子,均在晶胞中。八面体和四面体之 间通过共用顶点(氧原子)连接。锆和钨的氧化 数分别等于它们在周期表里的族数。 5-1 写出晶胞中锆原子和钨原子的数目。 5-2 写出这种复合氧化物的化学式。 5-3 晶体中,氧原子的化学环境有几种?各是什 么类 型?在一个晶胞中各有多少? 5-4 己知晶胞参数 a=0.916nm,计算该晶体的密度(以 g· cm-3 为单位) 。 第 6 题(7 分)最近报道了一种新型可逆电池。该电池的负极为金属铝;正极为 (Cn[AlCl4]),式中 Cn 表示石墨;电解质为烃基取代咪唑阳离子(R+)和 AlC14-阴离 子组成的离子液体。电池放电时,在负极附近形成双核配合物。充放电过程中离 子液体中的阳离子始终不变。 6-1 写出电池放电时,正极、负极以及电池反应方程式。 6-2 该电池所用石墨按如下方法制得:甲烷在大量氢气存在下热解,所得碳沉积 在泡沫状镍模板表面。 写出甲烷热解反应的方程式。采用泡沫状镍的作用何在? 简述理由。 6-3 写出除去制得石墨后的镍的反应方程式。 6-4 该电池的电解质是将无水三氯化铝溶入烃代咪唑氯化物离子液体中制得,写 出方程式。 第 7 题(8 分) 7-1 在如下反应中,反应前后钒的氧化数和配位数各是多少?N-N 键长如何变 化?

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7-2 单晶衍射实验证实,配合物[Cr3O(CH3CO2)6(H2O)3]Cl· 8H2O 中,3 个铬原子的化 学环境完全相同,乙酸根为桥连配体,水分子为单齿配体。画出该配合物中阳离 子的结构示意图。 第 8 题(9 分)金属 A 常用于铁的防护。A 与氯气反应,生成易挥发的液态物质 B,B 和过量 A 反应生成具有还原性的物质 C,C 可以还原 Fe3+;B 和格氏试剂 (C6H5MgBr)反应生成 D(含元素 A、碳和氢)。D 和 B 反应得到 E,E 水解、聚合成 链状的 F 并放出 HCl。向 B 的盐酸溶液中通入 H2S,得到金黄色沉淀 G(俗名“金 粉” ) ,G 溶于硫化铵溶液得到 H。向 C 的盐酸溶液中通入 H2S,得到黑色沉淀 I, I 可溶于多硫化铵溶液但不溶于硫化铵溶液。写出 A-I 的化学式。 第 9 题(7 分)Coniine 是一种有毒生物碱,可以通过麻痹呼吸系统导致死亡。致 死量小于 0.1g。公元前 399 年苏格拉底就是南于饮用了含 coniine 的混合物而被 毒死的。Hofmann 在 1881 年确定了 Coniine 分子式为 C8H17N。将 coniine 彻底甲 基化后接着 Hofmann 消除反应的产物为 4S-(N,N-二甲基)-辛-7-烯-4-胺。 9-1 画出 4S-(N,N-二甲基)-辛-7-烯-4-胺及其对映体的结构简式; 9-2 从 Hofmann 消除反应的结果可以确定 Coniine 具有哪些结构特征?并以此结 果画出你所推断的 coniine 所有可能的结构简式。 第 10 题(10 分)当溴与 l,3 一丁二烯在环己烷溶液中发生加成反应时,会得到两 个产物 A 和 B(不考虑立体化学) 。在-15℃时 A 和 B 的比例为 62:38;而在 25℃ 时 A 和 B 的比例为 12:88。 10-1 画出化合物 A 和 B 的结构简式;并确定哪个为热力学稳定产物,哪个为动 力学产物。 10-2 在室温下,A 可以缓慢地转化为 B。画出此转换过程的反应势能示意图和中 问体的结构 简式。 10-3 根据以上的研究结果,确定以下反应的产物:

第 11 题(13 分) 11-1Tropinone 是一个莨菪烷类生物碱,是合成药物阿托品硫酸盐的中间体。它 的合成在有机合成史上具有里程碑意义,开启了多组分反应的研究。 Tropinone 的许多衍生物具有很好的生理活性,从而可以进行各种衍生化反应。在研究 tropinone 和溴苄的反应中发现:

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此反应的两个产物 A 和 B 可以在碱性条件下相互转换。因此,纯净的 A 或 B 在 碱性条件下均会变成 A 和 B 的混合物。画出 A、B 以及二者在碱性条件下相互转 换的中间体的结构简式。 11-2 高效绿色合成一直是有机化学家追求的目标, 用有机化合物替代金属氧化剂 是重要的研 究方向之一。 硝基甲烷负离子是一种温和的有机氧化剂。画出硝基甲烷负离子的 共振式(氮 原子的形式电荷为正) ,并完成以下反应(写出所有产物) :

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参考答案
第 1 题(8 分) 1-1 2Pb2++H2O+3CrO42–→Pb2(OH)2CrO4↓+Cr2O72– 1-2 6HCN+Fe+2K2CO3→K4Fe(CN)6+H2↑+2CO2↑+2H2O 1-3 5Fe(CN)64–+61MnO4–+188H+→5Fe3++30NO3–+30CO2↑+61Mn2++94H2O 1-4 3Ag2SO4+4S+4H2O→3Ag2S+4H2SO4 第 2 题(12 分) 2-1 (1)乙酸,CaCO3 溶解。 (2)硝酸或盐酸,BaCrO4 溶解。 (3)NaOH,Zn(OH)2 显两性,可溶。 (4)氨水,AgCl 与 NH3 作用形成 Ag(NH3)2+络离子而溶解。 (5)盐酸或硝酸,ZnS 溶解。 2-2 - - - 2-2a SO2+6I +4H+→2I3 +S+2H2O 或 SO2+4I +4H+→2I2+S+2H2O 2-2b SO2+I3-+H2O→SO42-+3I-+4H+或 SO2+I2+2H2O→SO42-+2I-+4H+ 2-2c2H2O+3SO2→2SO42-+S+4H+ KI 起催化作用。 2-3 2-3-1 A 2-3-2 可以和水形成氢键。 2-3-3 第 3 题(10 分) 3-1 3-1-1 40.0g×cm×(100℃×17.2℃)=50.0g×4.18J· g-1· ℃-1×(17.2℃×15.2℃) cm=0.126J· g-1· ℃-1 原子量:6×4.18J· g-1· ℃-1/(0.126J· g-1· ℃-1)=199 摩尔质量为 199g· mol-1 3-1-2 设金属氧化物的化学式为 MnOm,其中: 金属的摩尔数:1.000/199=5.03×10-3(mol) 氧的摩尔数:0.336/16.00=0.0210(mol) n:m=5.03×10-3:0.0210=1:4.17≈1:4,所以化学式应为 MO4 金属的摩尔质量=1.336×4×16.00/0.336-4×16.00=190(g· mol-1) 3-1-3 Os 或 锇 3-2 设有 100g 原料样品, 高岭土:100g×10.0%/258.2g· mol-1=0.0387mol 铝:0.0774mol 硅:0.0774mol 水铝石:100g×90.0%/78.00g· mol-1=1.154mol 铝的总摩尔数:1.231mol 高岭土变成“泥”需要的铝:0.0774mol×6/5=0.0929mol
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铝的损失率:0.0929mol/1.231mol=7.54% 第 4 题(8 分) 4-1 2Cr2O72-+3C+16H+→4Cr3++3CO2+8H2O 或 2K2Cr2O7+3C+8H2SO4→2K2SO4+2Cr2(SO4)3+3CO2+8H2O 4-2 Cr2O72-+6Fe2++14H+→6Fe3++2Cr3++7H2O 或 K2Cr2O7+6FeSO4+7H2SO4→3Fe2(SO4)3+Cr2(SO4)3+K2SO4+7H2O 4-3 土样经高温灼烧后, 其中的腐殖质全部被除去,故空白实验和测定实验结果之差 即为氧化腐殖质中的 C 所需要的 Cr2O72-。 土样测定中剩余的 Cr2O72-:0.1221mol· L-1×10.02mL/6=0.2039mmol 空白样品中测得的 Cr2O72-:0.1221mol· L-1×22.35mL/6=0.4548mmol 被氧化的 C:(0.4548-0.2039)mmol×3/2=0.3764mmol 腐殖质中总碳量:0.3764mmol/0.90=0.418mmol 折合的腐殖质质量:0.418mmol×12.0g· mol-1/58%=8.65mg 土壤中腐殖质含量:8.65×10-3g/0.1500g×100%=5.8% 腐殖质%=1/6×3/2×(22.35-10.02)×10–3×0.1221×12.01/58%÷90%÷0.1500×100% =5.8% 第 5 题(8 分) 5-1 4 个锆原子,8 个钨原子。 5-2 ZrW2O8 5-3 氧原子有两种类型 桥氧和端氧 桥氧 24 个,端氧 8 个 5-4 D=zM/(VcNA)=[4×(91.22+183.8×2+16.00×8)g· mol-1]/(VcNA) =4×586.8g· mol-1/(0.9163×10–21cm3×6.022×1023mol-1) =5.07gcm-3 第 6 题(7 分) 6-1 正极:Cn[AlCl4]+e-→AlCl4-+Cn 负极:Al+7AlCl4-→4Al2Cl7-+3e- 电池反应:Al+3Cn[AlCl4]+4AlCl4-→4Al2Cl7-+3Cn 6-2 CH4→C+2H2 可以促进甲烷热解(1),使得所得石墨具有多孔特性(2),有利于保持电池的可逆 性能(3),抑制充放过程中正极的体积变化(4)。 6-3 Ni+2H+→Ni2++H2 6-4 AlCl3+R+Cl-→R+AlCl4- 第 7 题(8 分) 7-1 钒的氧化数:反应前为 +3; 反应后为 +1 钒的配位数: 反应前为 7; 反应后为 6 N-N 键长变长

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7-2

第 8 题(9 分) A D G 第 9 题(7 分) 9-1

Sn Sn(C6H5)4 SnS2

B E H

SnCl4 Sn(C6H5)2Cl2 SnS32-

C F I

SnCl2

SnS

4S-(N,N-二甲基)-辛-7-烯-4-胺的结构简式:

4R-(N,N-二甲基)-辛-7-烯-4-胺的结构简式: 9-2 coniine 的结构特征:环状的二级胺 coniine 可能的结构简式: 第 10 题(10 分) 10-1 A 的结构简式: B 的结构简式: 物 10-2 如右图 10-3 所有产物的结构简式: 第 11 题(13 分) 动力学产物 热力学稳定产

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第 30 届中国化学奥林匹克(初赛)试题
第 1 题(8 分) 1-1 离子化合物 A2B 由四种元素组成,一种为氢,另三种为第二周期元素。正、负离子皆由 两种原子构成且均呈正四面体构型。写出这种化合物的化学式。 1-2 对碱金属 Li、Na、K、Rb 和 Cs,随着原子序数增加以下哪种性质的递变不是单调的? 简述原因。 (a)熔沸点 (b)原子半径 (c)晶体密度 (d)第一电离能 . 1-3 保险粉 (Na2S2O4 2H2O) 是重要的化工产品,用途广泛,可用来除去废水 (pH ~ 8) 中的 Cr(Ⅵ),所得含硫产物中硫以 S(Ⅳ)存在。写出反应的离子方程式。 1-4 化学合成的成果常需要一定的时间才得以应用于日常生活。 例如, 化合物 A 合成于 1929 年,至 1969 年才被用作牙膏的添加剂和补牙填充剂成分。A 是离子晶体,由 NaF 和 NaPO3 在熔融状态下反应得到。 它是易溶于水, 阴离子水解产生氟离子和对人体无毒的另一种离子。 1-4-1 写出合成 A 的反应方程式。 1-4-2 写出 A 中阴离子水解反应的离子方程式。

第 2 题(9 分) 鉴定 NO3—离子的方法之一是利用“棕色环”现象:将含有 NO3—的溶液放入试管,加入 FeSO4,混匀,然后顺着管壁加入浓硫酸,在溶液的界面上出现“棕色环”。分离出棕色物质, 研究发现其化学式为[Fe(NO)(H2O)5]SO4。该物质显顺磁性,磁矩为 3.8μB(玻尔磁子),未成 对电子分布在中心离子周围。 2-1 写出形成“棕色环”的反应方程式。 2-2 推出中心离子的价电子组态、自旋态(高或低)和氧化态。 2-3 棕色物质中的 NO 的键长与自由 NO 分子中 N-O 键长相比, 变长还是变短?简述理 由。

第 3 题(13 分) 3-1 好奇心是科学发展的内在动力之一。P2O3 和 P2O5 是两种经典的化合物,其分子结构已 经确定。自然而然会有如下问题:是否存在磷氧原子比介于二者之间的化合物?由此出发, 化学家合成并证实了这些中间化合物的存在。 3-1-1 写出这些中间化合物的分子式。 3-1-2 画出其中具有 2 重旋转轴的分子的结构图。根据键长不同,将 P-O 键分组并用阿 拉伯数字标出(键长相同的用同一个数字标识) 。比较键角∠ O-P(Ⅴ)-O 和∠O-P(Ⅲ)-O 的 大小。 3-2 NH3 分子在独立存在时 H-N-H 键角为 106.7° 。 右图上[Zn(NH3)6]2+ 离子的部分结构以及 H-N-H 键角的测量值。 解释配合物中 H-N-H 键 角变为 109.5° 的原因。 3-3 量子化学计算预测未知化合物是现代化学发展的途径之一。2016 年 2 月有人通过计算预言铁也存在四氧化物,其分子构型是四面 体,但该分子中铁的氧化态是+6 而不是+8。 3-3-1 写出该分子中铁的价电子组态。
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3-3-2 画出该分子结构的示意图(用元素符号表示原子,用短线表示原子间的化学键) 。

第 4 题(10 分)固体电解质以其在电池、传感器等装置中的广泛应用而备受关注。现有一 种由正离子 An+、 Bm+和负离子 X—组成的无机固体电解质, 该物质 50.7℃上形成无序结构 (高 温相) ,50.7℃以下变为有序结构(低温相) ,二者结构示意见右图。图中浅色球为负离子; 高温相中的深色球为正离子或空位; 低温相中的大深色球为 An+离子, 小深色球为 Bm+离子。 4-1 推出这种电解质的化学式,写出 n 和 m 的值。 4-2 温度变化会导致 晶体在立方晶系和四方晶系之间转换,上述哪种晶相属于立方晶 系? 4-3 写出负离子的堆积方式及形成的空隙类型。指出正离子占据的空隙类型及占有率。 4-4 高温相具有良好的离子导电性, 这源于哪种离子的迁移?简述导电性与结构的关系。

第 5 题(8 分)化学式为 MOxCly 的物质有氧化性,M 为过渡金属元素,x 和 y 均为正整数。 将 2.905g 样品溶于水,定容至 100mL。移取 20.00mL 溶液,加入稀硝酸和足量的 AgNO3, 分离得到白色沉淀 1.436g。移取溶液 20.00mL,加入适量硫酸,以 N-苯基邻氨基苯甲酸作 指示剂, 用标准硫酸亚铁溶液滴定至终点, 消耗 3.350mmol。 已知其中阳离子以 MOxy+存在, 推出该物质的化学式,指出 M 是哪种元素。写出硫酸亚铁铵溶液滴定 MOxy+的离子反应方 程式。

第 6 题(14 分)N2O4 和 NO2 的相互转化 N2O4(g)=2NO2(g)是讨论化学平衡问题的常用 体系。已知该反应在 295K 和 315K 温度下平衡常数 Kp 分别为 0.100 和 0.400。将一定量的 其他充入一个带活塞的特制容器,通过活塞移动使体系总压恒为 1bar(1bar=100kPa) 。 6-1 计算 295K 下体系达平衡时 N2O4 和 NO2 的分压。 6-2 将上述体系温度升至 315K,计算达平衡时 N2O4 和 NO2 的分压。 6-3 计算恒压下体系分别在 315K 和 295K 达平衡时的体积比及物质的量之比。 6-4 保持恒压条件下,不断升高温度,体系中 NO2 分压最大值的理论趋近值是多少(不考虑 其他反应)?根据平衡关系式给出证明。 6-5 上述体系在保持恒外压的条件下,温度从 295K 升至 315K,下列说法正确的是: (a)平衡向左移动 (b)平衡不移动 (c)平衡向右移动 (d)三者均有可能 6-6 与体系在恒容条件下温度从 295K 升至 315K 的变化相比, 恒压下体系温度升高, 下列说 法正确的是(简述理由,不要求计算) : (a)平衡移动程度更大 (b)平衡移动程度更小 (c)平衡移动程度不变 (d)三者均有可能

第 7 题(8 分) 乙醇在醋酸菌作用下被空气氧化是制造醋酸的有效方法, 然而这一传统过程远远不能满 足工业的需求。 目前工业上多采用甲醇和一氧化碳反应制备醋酸: CH3OH+CO→CH3COOH。
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第 9 族元素(Co,Rh,Ir)的一些配合物是上述反应良好的催化剂。以[Rh(CO)2I2]-为催化 剂、以碘甲烷为助催化剂合成乙酸(Monsanto 法)的示意图如下:

7-1 在催化剂循环中,A 和碘甲烷发生氧化加成反应,变为 B。画出 B 及其几何异构体 B1 的结构示意图。 7-2 分别写出化合物 A 和 D 中铑的氧化态及其周围的电子数。 7-3 写出由 E 生成醋酸的反应式(E 须用结构简式表示) 。 7-4 当上述醋酸合成过程的催化剂改为[Ir(CO)2I2] ,被称作 Cativa 法。Cativa 法催化循环过 程与 Monsanto 法类似,但中间题 C 和 D(中心离子均为 Ir)有差别,原因在于:由 B(中 心离子为 Ir)变为 C,发生的 CO 取代 I-的反应;由 C 到 D 过程中则发生甲基迁移。画出 C 的面式结构示意图。

第 8 题(10 分) 8-1 画出以下反应过程中化合物 A-F 的结构简式。

8-2 某同学设计了以下反应,希望能同时保护氨基和羟基。

请选择最有利于实现该反应的实验条件: a) 反应在浓盐酸与乙醇(1:3)的混合剂中加热进行。 b) 反应在过量三乙胺中加热进行。 c) 催化量的三氟化硼作用下,反应在无水乙醚中进行。 d) 反应在回流的甲苯中进行。 8-3 理论计算表明,甲酸的 Z 和 E-型两种异构体存在一定的能量差别。

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已知 Z-型异构体的 pKa=3.77,判断 E-型异构体的 pKa; a)>3.77 b)<3.77 c)=3.77 d)无法判断。

第 9 题(12 分) 9-1 氨基乙醇在盐酸中与乙酸酐反应如下:

当此反应在 K2CO3 中进行,得到了另一个非环状的产物 B;化合物 A 在 K2CO3 作用下也转 化为化合物 B。 9-1-1 画出化合物 B 的结构简式; 9-1-2 为什么在 HCl 作用下, 氨基乙醇与乙酸酐反应生成化合物 A; 而在 K2CO3 作用下, 却生成化合物 B? 9-1-3 为什么化合物 A 在 K2CO3 作用下转化为化合物 B? 9-2 某同学设计如下反应条件,欲制备化合物 C。但反应后实际得到其同分异构体 E。

9-2-1 画出重要反应中间体 D 及产物 E 的结构简式。 在下面的反应中,化合物 F 与二氯亚砜在吡啶-乙醚溶液中发生反应时未能得到氯代产物, 而是得到了两种含有碳碳双键的同分异构体 G 和 H;没有得到另一个同分异构体 J。

9-2-2 画出 G、H 以及 J 的结构简式。 9-2-3 解释上述反应中得不到产物 J 的原因。

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第 10 题(8 分) 10-1 以下两种生物碱可以在室温下相互转化,在达到平衡态时,两者的比例为 3:2。画出 它们互相转换时中间体 A 的立体结构简式。

10-2 画出下面反应过程中合理的关键反应中间体的结构简式(3 个) 。

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