2025年上學(xué)期高二化學(xué)研究性學(xué)習(xí)報(bào)告試題（二）一、實(shí)驗(yàn)探究題：基于氧化還原反應(yīng)的廢水中鉻離子去除工藝設(shè)計(jì)（一）背景資料某化工廠排放的廢水中含有Cr?O?2?（六價(jià)鉻），其濃度為0.01mol/L，具有強(qiáng)毒性和致癌性。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求處理后廢水中總鉻含量需低于0.1mg/L。現(xiàn)有硫酸亞鐵、亞硫酸鈉、鐵粉等還原劑，以及H?SO?、NaOH等試劑。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究不同還原劑對(duì)Cr?O?2?的去除效果，并優(yōu)化處理工藝。（二）實(shí)驗(yàn)要求提出假設(shè)：根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理，預(yù)測(cè)三種還原劑（FeSO?、Na?SO?、鐵粉）中哪種對(duì)Cr?O?2?的去除效率最高，并說(shuō)明理由。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)試劑選擇：0.01mol/LK?Cr?O?溶液（模擬廢水）、0.1mol/LFeSO?溶液、0.1mol/LNa?SO?溶液、還原鐵粉（分析純）、1mol/LH?SO?溶液、1mol/LNaOH溶液、pH計(jì)、可見(jiàn)分光光度計(jì)（測(cè)定Cr3?濃度）。變量控制：需考慮溶液pH、還原劑用量、反應(yīng)溫度等因素，設(shè)計(jì)至少3組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。數(shù)據(jù)記錄：設(shè)計(jì)表格記錄不同條件下Cr3?的生成量（mg/L）及去除率（計(jì)算公式：去除率=（初始濃度-殘留濃度）/初始濃度×100%）。問(wèn)題討論若反應(yīng)在酸性條件下進(jìn)行，寫出Cr?O?2?與Fe2?反應(yīng)的離子方程式，并計(jì)算該反應(yīng)的平衡常數(shù)（已知E°(Cr?O?2?/Cr3?)=1.33V，E°(Fe3?/Fe2?)=0.77V）。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH>7時(shí)，Cr3?會(huì)以Cr(OH)?沉淀形式析出，若要使Cr3?完全沉淀（濃度≤1×10??mol/L），需控制溶液pH至少為多少？（已知Ksp[Cr(OH)?]=6.3×10?31）若采用鐵粉作為還原劑，反應(yīng)后溶液中可能殘留Fe2?，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Fe2?的存在并測(cè)定其濃度？二、數(shù)據(jù)分析題：基于化學(xué)反應(yīng)原理的工業(yè)合成氨工藝優(yōu)化（一）背景資料合成氨反應(yīng)為N?(g)+3H?(g)?2NH?(g)ΔH=-92.4kJ/mol，是工業(yè)上生產(chǎn)氮肥的重要反應(yīng)。某工廠在30MPa、450℃條件下，使用鐵觸媒催化合成氨，原料氣中n(N?):n(H?)=1:3，反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)NH?的體積分?jǐn)?shù)為15%。為提高產(chǎn)率，技術(shù)人員提出以下改進(jìn)方案：①升高溫度至500℃；②增大壓強(qiáng)至50MPa；③加入過(guò)量H?，使n(N?):n(H?)=1:5；④改用新型釕基催化劑。（二）數(shù)據(jù)處理與分析熱力學(xué)分析：計(jì)算450℃時(shí)該反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)Kp（用分壓表示，已知450℃時(shí)ΔG°=-33.2kJ/mol，R=8.314J/(mol·K)）。動(dòng)力學(xué)分析：在不同條件下測(cè)定NH?的生成速率（mol·L?1·min?1），部分?jǐn)?shù)據(jù)如下表：實(shí)驗(yàn)編號(hào)溫度/℃壓強(qiáng)/MPan(N?):n(H?)催化劑生成速率/mol·L?1·min?11450301:3鐵觸媒0.252500301:3鐵觸媒0.383450501:3鐵觸媒0.424450301:5鐵觸媒0.305450301:3釕基0.55根據(jù)表中數(shù)據(jù)，分析溫度、壓強(qiáng)、原料氣配比、催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響規(guī)律。解釋實(shí)驗(yàn)2中溫度升高導(dǎo)致速率增大但平衡產(chǎn)率可能降低的原因。工藝優(yōu)化：綜合熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)因素，從能量消耗、設(shè)備成本、產(chǎn)率等角度，評(píng)價(jià)四種改進(jìn)方案的可行性，并提出最優(yōu)工藝條件建議。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題：有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)——阿司匹林的合成與純度分析（一）合成原理阿司匹林（乙酰水楊酸）可通過(guò)水楊酸與乙酸酐在濃硫酸催化下反應(yīng)制得，反應(yīng)方程式如下：C?H?O?（水楊酸）+(CH?CO)?O（乙酸酐）→C?H?O?（乙酰水楊酸）+CH?COOH（乙酸）（二）實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)列出所需儀器（如三頸燒瓶、冷凝管、布氏漏斗等）和試劑（水楊酸、乙酸酐、濃硫酸、乙醇、飽和NaHCO?溶液等）。設(shè)計(jì)合成步驟，包括反應(yīng)溫度控制（提示：反應(yīng)需水浴加熱，溫度過(guò)高易生成副產(chǎn)物）、產(chǎn)物分離提純（如重結(jié)晶）等關(guān)鍵步驟。純度分析采用滴定法測(cè)定產(chǎn)品純度：準(zhǔn)確稱取0.5g粗產(chǎn)品，用NaOH溶液溶解（乙酰水楊酸與NaOH按1:2反應(yīng)，水楊酸與NaOH按1:2反應(yīng)），以酚酞為指示劑，用0.1mol/LNaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至終點(diǎn)，消耗NaOH溶液體積為V?；另取相同質(zhì)量產(chǎn)品，加入FeCl?溶液，若溶液變紫，說(shuō)明存在未反應(yīng)的水楊酸（酚羥基特征反應(yīng)），需用NaHCO?溶液分離乙酰水楊酸與水楊酸后再次滴定，消耗NaOH溶液體積為V?。寫出純度計(jì)算公式（乙酰水楊酸摩爾質(zhì)量為180g/mol），并分析若未分離水楊酸會(huì)導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果偏高還是偏低。綠色化學(xué)改進(jìn)傳統(tǒng)工藝中使用濃硫酸作催化劑，存在腐蝕設(shè)備、污染環(huán)境等問(wèn)題。請(qǐng)?zhí)岢鲋辽賰煞N綠色催化方案（如固體酸催化劑、離子液體催化等），并說(shuō)明選擇依據(jù)。四、調(diào)查與探究題：環(huán)境化學(xué)視角下的土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)比較（一）調(diào)研背景某礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤受到重金屬Pb2?、Cd2?污染，采樣檢測(cè)結(jié)果顯示Pb2?濃度為250mg/kg，Cd2?濃度為1.8mg/kg（《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》中Pb限值為170mg/kg，Cd限值為0.6mg/kg）。當(dāng)?shù)財(cái)M采用化學(xué)修復(fù)（如添加石灰、EDTA）、生物修復(fù)（如種植超積累植物蜈蚣草）或聯(lián)合修復(fù)技術(shù)治理污染。（二）探究?jī)?nèi)容污染機(jī)理分析解釋Pb2?、Cd2?在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化途徑（如通過(guò)根系吸收進(jìn)入植物，或隨雨水淋溶污染地下水）。說(shuō)明土壤pH對(duì)重金屬生物有效性的影響（提示：pH降低時(shí)，重金屬離子溶解度增大）。修復(fù)技術(shù)比較化學(xué)修復(fù)：添加石灰（CaO）可提高土壤pH，使重金屬形成氫氧化物沉淀；添加EDTA可與重金屬離子形成絡(luò)合物，通過(guò)淋洗去除。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)比較兩種化學(xué)試劑對(duì)Pb2?、Cd2?的去除效果（需測(cè)定處理前后土壤中有效態(tài)重金屬含量）。生物修復(fù)：蜈蚣草對(duì)Cd2?的富集系數(shù)（植物體內(nèi)濃度/土壤中濃度）可達(dá)200以上，若每畝農(nóng)田種植蜈蚣草生物量為500kg，每年收割3次，計(jì)算理論上需多少年可使土壤Cd2?濃度降至安全限值。綜合評(píng)價(jià)從修復(fù)效率、成本、二次污染風(fēng)險(xiǎn)、生態(tài)影響等角度，對(duì)比三種修復(fù)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，為當(dāng)?shù)剡x擇最優(yōu)方案提供建議。五、綜合論述題：物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)在新材料開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用（一）背景信息新型功能材料的開(kāi)發(fā)依賴于對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)關(guān)系的理解。例如，鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池（CH?NH?PbI?）具有高光吸收系數(shù)，石墨烯因特殊的二維結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，MOFs（金屬有機(jī)框架材料）因其多孔結(jié)構(gòu)在氣體吸附領(lǐng)域潛力巨大。（二）論述要求結(jié)構(gòu)分析鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)中，Pb2?位于八面體中心，I?位于頂點(diǎn)，CH?NH??填充在八面體間隙，畫出該晶胞的示意圖，并分析Pb2?的配位數(shù)及化學(xué)鍵類型。石墨烯中碳原子的雜化方式為sp2，層間通過(guò)范德華力結(jié)合，解釋其導(dǎo)電性優(yōu)于金剛石的原因（金剛石中碳原子為sp3雜化）。性質(zhì)預(yù)測(cè)MOFs材料由金屬離子（如Zn2?）與有機(jī)配體（如對(duì)苯二甲酸）通過(guò)配位鍵連接形成三維骨架，若配體長(zhǎng)度增加，預(yù)測(cè)其比表面積和氣體吸附量的變化趨勢(shì)，并說(shuō)明理由。對(duì)比傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池，分析鈣鈦礦電池效率高但穩(wěn)定性差的結(jié)構(gòu)因素（提示：