2025年高中化學(xué)知識競賽“化學(xué)深?！碧綔y方案設(shè)計大賽試題（二）一、選擇題（本題包括10小題，每題3分，共30分。每題只有一個選項符合題意）深海極端環(huán)境下的化學(xué)平衡馬里亞納海溝10909米處水壓約110MPa，水溫4℃，該環(huán)境中下列化學(xué)過程不受顯著影響的是（）A.碳酸鈣的溶解平衡（CaCO??Ca2?+CO?2?）B.水的電離平衡（H?O?H?+OH?）C.鐵的吸氧腐蝕（2Fe+O?+2H?O=2Fe(OH)?）D.氯化鈉的溶解過程（NaCl(s)→Na?+Cl?）深海能源材料的化學(xué)特性天然氣水合物（可燃冰）的晶體結(jié)構(gòu)為籠狀，由水分子通過氫鍵形成主體框架，甲烷分子填充其中。下列關(guān)于可燃冰的說法錯誤的是（）A.形成條件需滿足低溫（0~10℃）、高壓（>10MPa）B.燃燒反應(yīng)的化學(xué)方程式為CH?·8H?O+2O?$\stackrel{點燃}{=}$CO?+10H?OC.晶體中水分子與甲烷分子的數(shù)量比為8:1D.分解反應(yīng)（CH?·8H?O=CH?↑+8H?O）的ΔH>0深海探測材料的腐蝕防護(hù)“奮斗者”號鈦合金耐壓殼在深海環(huán)境中需具備抗腐蝕能力。下列防護(hù)措施利用電化學(xué)原理的是（）A.表面噴涂聚四氟乙烯涂層B.鑲嵌金屬鋅塊形成犧牲陽極C.進(jìn)行鈦合金表面鈍化處理D.采用真空電子束焊接減少縫隙深海熱液區(qū)的氧化還原反應(yīng)海底熱液噴口（350℃、pH=2）附近存在反應(yīng)：2H?S+SO?=3S↓+2H?O。下列說法正確的是（）A.H?S是氧化劑，SO?是還原劑B.每生成3molS，轉(zhuǎn)移4mol電子C.該反應(yīng)在常溫下也可自發(fā)進(jìn)行D.S單質(zhì)在該環(huán)境中以正交硫（S?）形式存在深海生物的化學(xué)適應(yīng)機(jī)制深海魚類體內(nèi)高濃度的氧化三甲胺（(CH?)?NO）可抵消高壓對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞。其分子中N原子的雜化方式為（）A.spB.sp2C.sp3D.sp3d海水提鈾的化學(xué)原理吸附法提鈾中常用偕胺肟樹脂（-C(=NOH)NH?）與UO?2?形成配位鍵。該過程屬于（）A.物理吸附B.離子交換C.螯合作用D.氧化還原反應(yīng)深海聲吶的化學(xué)傳感器光纖傳感器中利用熒光探針檢測H?S，其原理為：探針分子與H?S反應(yīng)后熒光強(qiáng)度增強(qiáng)。該反應(yīng)的類型可能是（）A.取代反應(yīng)B.加成反應(yīng)C.氧化還原反應(yīng)D.配位反應(yīng)多金屬結(jié)核的濕法冶金從錳結(jié)核（含MnO?、Fe?O?、CuS等）中提取銅時，先用硫酸和H?O?溶解，再用鐵粉置換。下列反應(yīng)錯誤的是（）A.MnO?+H?O?+2H?=Mn2?+O?↑+2H?OB.CuS+2H?=Cu2?+H?S↑C.2Fe3?+H?O?=2Fe2?+O?↑+2H?D.Fe+Cu2?=Fe2?+Cu深海電池的能量轉(zhuǎn)化自主式水下潛器（AUV）常用鋁-海水電池，總反應(yīng)為4Al+3O?+6H?O=4Al(OH)?。下列說法正確的是（）A.鋁電極發(fā)生還原反應(yīng)B.海水作為電解質(zhì)溶液，Cl?向正極移動C.每消耗1molAl，轉(zhuǎn)移3mol電子D.正極反應(yīng)式為O?+4e?=2O2?深海碳循環(huán)的化學(xué)過程深海熱液系統(tǒng)中CO?與H?S反應(yīng)生成CH?和S，該過程可表示為CO?+4H?S=CH?+4S+2H?O。下列說法正確的是（）A.該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)B.CH?的空間構(gòu)型為平面正方形C.產(chǎn)物S單質(zhì)的晶胞中含有8個S原子D.H?O分子間的氫鍵使深海中水的密度小于4℃的淡水二、非選擇題（共70分）（一）深海探測材料的設(shè)計與性能（15分）2025年我國研制的“深海勇士2號”載人潛水器采用新型鈦合金（Ti-6Al-4V）和復(fù)合材料。回答下列問題：（1）鈦合金中Ti??的電子排布式為______，Al3?與V3?的離子半徑大小關(guān)系為______。（2）鈦合金表面可通過陽極氧化法制備TiO?納米涂層，該過程中鈦電極發(fā)生______（填“氧化”或“還原”）反應(yīng)，陽極反應(yīng)式為______。（3）深海探測電纜需具備耐高壓、絕緣性和耐腐蝕性，其外層材料可選用聚酰亞胺（結(jié)構(gòu)簡式如下），該高分子化合物的鏈節(jié)為______，合成它的單體有______（寫結(jié)構(gòu)簡式）。（二）深海熱液區(qū)的化學(xué)熱力學(xué)分析（18分）熱液噴口附近存在反應(yīng)：H?S(aq)+2O?(g)=SO?2?(aq)+2H?(aq)，已知298K時相關(guān)物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)如下：物質(zhì)H?S(aq)O?(g)SO?2?(aq)H?(aq)ΔfH?°/kJ·mol?1-39.70-909.30S?°/J·mol?1·K?1121205.2-20.10（1）計算該反應(yīng)的ΔrH?°=kJ·mol?1，ΔrS?°=J·mol?1·K?1。（2）判斷298K、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下該反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行：（填“能”或“否”），理由是。（3）若熱液區(qū)溫度為373K，假設(shè)ΔrH?°和ΔrS?°不隨溫度變化，計算該反應(yīng)的ΔrG?°(373K)=kJ·mol?1，此時反應(yīng)的平衡常數(shù)K（填“增大”或“減小”）。（三）深海微生物燃料電池的設(shè)計（17分）深海冷泉區(qū)的甲烷氧化菌可通過降解CH?獲取能量，科學(xué)家據(jù)此設(shè)計微生物燃料電池（MFC）為傳感器供電，裝置示意圖如下：（1）電池負(fù)極的電極反應(yīng)式為______，正極反應(yīng)式為______。（2）質(zhì)子交換膜允許______（填離子符號）通過，工作時該離子的移動方向為______。（3）若外電路通過2mol電子，理論上消耗CH?的體積（標(biāo)準(zhǔn)狀況）為______L，生成CO?的物質(zhì)的量為______mol。（4）該電池的能量轉(zhuǎn)化效率為60%，當(dāng)產(chǎn)生1.5molH?O時，實際消耗CH?的質(zhì)量為______g。（四）深海稀土資源的提取工藝（20分）日本在南鳥島周邊深海黏土中發(fā)現(xiàn)高濃度稀土元素，其提取流程如下：黏土礦→酸浸→萃取→反萃取→沉淀→稀土氧化物已知：①黏土中稀土元素以RE?O?形式存在（RE代表稀土元素）；②萃取劑（HA）為有機(jī)弱酸，可與RE3?形成REA?配合物進(jìn)入有機(jī)相。（1）酸浸時RE?O?與H?SO?反應(yīng)的化學(xué)方程式為______，該過程需控制pH<2，目的是______。（2）萃取平衡可表示為RE3?(水相)+3HA(有機(jī)相)?REA?(有機(jī)相)+3H?(水相)，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=。若提高水相pH，K值（填“增大”“減小”或“不變”）。（3）反萃取時加入鹽酸，使REA?從有機(jī)相轉(zhuǎn)移至水相，原因是______。（4）沉淀步驟中加入(NH?)?C?O?生成RE?(C?O?)?·10H?O沉淀，灼燒該沉淀的化學(xué)方程式為______。三、實驗設(shè)計題（20分）背景：深海沉積物中含有Fe2?、Mn2?、Cu2?等金屬離子，需通過實驗測定其濃度。任務(wù)：設(shè)計實驗方案測定沉積物樣品中Fe2?的含量，要求寫出實驗原理、儀器試劑、步驟及數(shù)據(jù)處理（以消耗0.0100mol·L?1KMnO?標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積表示）。（1）實驗原理（離子方程式）：。（2）儀器試劑：電子天平、錐形瓶、（列舉3種玻璃儀器）；（列舉3種試劑）。（3）實驗步驟：①樣品預(yù)處理：稱取mg沉積物，加入______溶解，過濾后轉(zhuǎn)移至250mL容量瓶，定容。②滴定：移取25.00mL待測液于錐形瓶，加入______酸化，用KMnO?標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至，記錄消耗體積VmL。（4）數(shù)據(jù)處理：樣品中Fe2?的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為______（用含m、V的代數(shù)式表示）。（5）誤差分析：若滴定前仰視讀數(shù)，滴定后俯視讀數(shù)，會導(dǎo)致測定結(jié)果______（填“偏高”“偏低”或“無影響”）。四、綜合探究題（30分）主題：深海碳封存技術(shù)的化學(xué)可行性分析背景：將CO?注入深海（>1000米）可實現(xiàn)碳封存，其原理包括溶解封存（CO?溶于海水）和水合物封存（CO?·6H?O晶體）。（1）計算25℃時CO?在海水中的溶解度：已知CO?(g)?CO?(aq)的K?=3.3×10?2mol·L?1·atm?1，大氣中CO?分壓為0.0004atm，忽略CO?與水的反應(yīng)，溶解度為______mol·L?1。（2）CO?水合物的晶體結(jié)構(gòu)與可燃冰相似，其晶胞參數(shù)為a=1.2nm，阿伏加德羅常數(shù)為N?，則該晶胞的密度為______g·cm?3（列出計算式）。（3）深海碳封存可能引發(fā)海水酸化，導(dǎo)致CaCO?沉積溶解。寫出CO?與C