2025年高中化學(xué)競(jìng)賽前沿科技試題專項(xiàng)訓(xùn)練（五）一、選擇題（每題4分，共40分）1.動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)與分子自修復(fù)2024年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予“動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)”領(lǐng)域的科學(xué)家，該技術(shù)通過可逆共價(jià)鍵實(shí)現(xiàn)分子的自修復(fù)與重組。下列物質(zhì)中最可能作為動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵載體的是（）A.甲烷分子中的C-H鍵B.蛋白質(zhì)分子中的二硫鍵C.金剛石中的C-C鍵D.氯化鈉晶體中的離子鍵解析：動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵的核心特征是鍵的可逆斷裂與重組。二硫鍵（-S-S-）在溫和條件下可發(fā)生還原斷裂（生成-SH）和氧化重組，是生物體內(nèi)典型的動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵，如蛋白質(zhì)的折疊與修復(fù)過程。而C-H鍵、金剛石C-C鍵鍵能極高，離子鍵在水溶液中解離不可逆，均不符合動(dòng)態(tài)性要求。答案：B2.氫能源儲(chǔ)存技術(shù)下列關(guān)于未來氫能源儲(chǔ)存技術(shù)的設(shè)想中，基于現(xiàn)有化學(xué)原理可能實(shí)現(xiàn)的是（）A.利用富勒烯C??的空腔結(jié)構(gòu)吸附氫氣分子，形成穩(wěn)定的“分子籠”儲(chǔ)氫材料B.通過核反應(yīng)將水分解為氫氣和氧氣，提高能量轉(zhuǎn)化效率C.用金屬鈉與水在常溫下反應(yīng)制備氫氣，并直接用于燃料電池D.將氫氣溶解于有機(jī)溶劑形成飽和溶液，作為便攜式氫源解析：富勒烯C??的中空結(jié)構(gòu)可通過物理吸附儲(chǔ)存H?，理論儲(chǔ)氫量達(dá)6.7%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），且吸附-解吸過程可逆，符合儲(chǔ)氫材料要求（A正確）。核反應(yīng)涉及原子核變化，與化學(xué)分解無關(guān)（B錯(cuò)誤）；鈉與水反應(yīng)劇烈且生成NaOH，無法直接用于燃料電池（C錯(cuò)誤）；氫氣在有機(jī)溶劑中溶解度極低（如20℃時(shí)在乙醇中溶解度僅0.001mol/L），不具備實(shí)用價(jià)值（D錯(cuò)誤）。答案：A3.太空CO?循環(huán)利用在未來太空基地的生命維持系統(tǒng)中，需要通過化學(xué)方法循環(huán)利用CO?。下列方案理論上可行的是（）A.利用太陽能將CO?分解為C和O?，碳元素用于合成塑料B.通過電解熔融CO?制備CO和O?，CO作為燃料C.在催化劑作用下，用H?將CO?還原為CH?OH（甲醇）D.使CO?與N?在高溫高壓下直接反應(yīng)生成尿素[(NH?)?CO]解析：CO?分子穩(wěn)定（鍵能743kJ/mol），太陽能直接分解需極高能量（A不可行）；CO?熔點(diǎn)-56.6℃，熔融態(tài)不導(dǎo)電，無法電解（B錯(cuò)誤）；CO?與H?在催化劑（如Cu/ZnO-Al?O?）作用下可發(fā)生還原反應(yīng)：CO?+3H?→CH?OH+H?O（ΔH=-49kJ/mol），該反應(yīng)已在工業(yè)中用于合成甲醇（C正確）；CO?與N?反應(yīng)需NH?作為氮源，直接反應(yīng)無熱力學(xué)可行性（D錯(cuò)誤）。答案：C4.量子點(diǎn)尺寸效應(yīng)量子點(diǎn)材料因尺寸效應(yīng)可調(diào)控發(fā)光波長，有望成為下一代顯示技術(shù)的核心。已知某CdSe量子點(diǎn)的粒徑從2nm增大到5nm時(shí)，其熒光發(fā)射波長將（）A.從紫外區(qū)紅移至可見光區(qū)B.從可見光區(qū)藍(lán)移至紫外區(qū)C.保持在紅外區(qū)不變D.先藍(lán)移后紅移解析：量子點(diǎn)的熒光波長隨粒徑增大而紅移（尺寸越小，禁帶寬度越大，發(fā)射波長越短）。CdSe量子點(diǎn)粒徑為2nm時(shí)，發(fā)射波長約480nm（藍(lán)光，可見光區(qū)）；5nm時(shí)約620nm（紅光，可見光區(qū)），但題目選項(xiàng)中僅A符合“紅移”趨勢(shì)（假設(shè)初始粒徑更小的紫外區(qū)量子點(diǎn)）。答案：A5.鈉離子電池儲(chǔ)鈉原理某團(tuán)隊(duì)研發(fā)的鈉離子電池正極材料為層狀結(jié)構(gòu)的Na?Mn?O?，其儲(chǔ)鈉過程可表示為Na?Mn?O?+xNa?+xe?→Na???Mn?O?。下列說法錯(cuò)誤的是（）A.充電時(shí)，Na?從正極向負(fù)極遷移B.若x=0.5，則Mn元素的平均化合價(jià)由+3.67變?yōu)?3.5C.該材料的儲(chǔ)鈉容量與層間空隙大小正相關(guān)D.用該電池電解飽和食鹽水，當(dāng)轉(zhuǎn)移2mol電子時(shí)，理論上生成44.8LCl?（標(biāo)準(zhǔn)狀況）解析：放電時(shí)正極發(fā)生還原反應(yīng)（Na?嵌入），充電時(shí)為氧化反應(yīng)（Na?脫出），Na?應(yīng)從正極向負(fù)極遷移（A正確）；初始Mn平均化合價(jià)：(2×1+3x-7×2)/3=+3.67，x=0.5時(shí)變?yōu)?2.5×1-14)/3=+3.5（B正確）；層間空隙越大，Na?嵌入量越多，儲(chǔ)鈉容量越高（C正確）；電解飽和食鹽水時(shí)，2Cl?-2e?=Cl?↑，轉(zhuǎn)移2mol電子生成1molCl?（22.4L，標(biāo)準(zhǔn)狀況），D項(xiàng)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。答案：D6.分子機(jī)器設(shè)計(jì)未來“分子機(jī)器”可通過化學(xué)能驅(qū)動(dòng)完成特定任務(wù)。下列設(shè)計(jì)中利用了分子構(gòu)型異構(gòu)的是（）A.基于輪烷結(jié)構(gòu)的分子電梯，通過離子鍵斷裂實(shí)現(xiàn)升降B.含偶氮苯基團(tuán)的光控分子開關(guān)，通過順反異構(gòu)控制電路通斷C.以DNA鏈為軌道的分子馬達(dá)，通過堿基互補(bǔ)配對(duì)定向移動(dòng)D.金屬卟啉配合物作為催化劑，催化CO?還原反應(yīng)解析：偶氮苯（-N=N-）在紫外光照射下發(fā)生順反異構(gòu)（順式→反式，構(gòu)型變化），分子長度改變可用于控制電路通斷（B正確）。輪烷升降依賴機(jī)械鍵移動(dòng)（非構(gòu)型異構(gòu)，A錯(cuò)誤）；DNA馬達(dá)利用堿基配對(duì)的氫鍵作用（C錯(cuò)誤）；催化劑通過活性中心與底物結(jié)合，不涉及構(gòu)型變化（D錯(cuò)誤）。答案：B7.自修復(fù)混凝土原理某團(tuán)隊(duì)研發(fā)出“自修復(fù)混凝土”，其原理是在材料中嵌入微膠囊，當(dāng)裂縫產(chǎn)生時(shí)釋放修復(fù)劑。若修復(fù)劑為低粘度環(huán)氧樹脂與固化劑，該修復(fù)過程主要涉及的反應(yīng)類型是（）A.加聚反應(yīng)B.縮聚反應(yīng)C.取代反應(yīng)D.氧化還原反應(yīng)解析：環(huán)氧樹脂（含環(huán)氧基）與固化劑（如胺類）發(fā)生開環(huán)加成反應(yīng)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，屬于加聚反應(yīng)（A正確）?？s聚反應(yīng)伴隨小分子生成（如水，B錯(cuò)誤）；修復(fù)過程無原子取代或電子轉(zhuǎn)移（C、D錯(cuò)誤）。答案：A8.手性分子識(shí)別沙利度胺（Thalidomide）的兩種對(duì)映異構(gòu)體結(jié)構(gòu)如下，其中R構(gòu)型具有鎮(zhèn)靜作用，S構(gòu)型具有致畸性。下列關(guān)于該分子的說法正確的是（）A.分子中所有碳原子均為sp3雜化B.兩種異構(gòu)體可通過核磁共振氫譜鑒別C.一定條件下，該分子可發(fā)生水解反應(yīng)生成α-氨基酸D.1mol該分子最多可與3molH?發(fā)生加成反應(yīng)解析：沙利度胺分子含肽鍵（-CONH-）和苯環(huán)，肽鍵中C為sp2雜化（A錯(cuò)誤）；對(duì)映異構(gòu)體的核磁共振氫譜完全相同（化學(xué)環(huán)境對(duì)稱，B錯(cuò)誤）；肽鍵水解生成-NH?和-COOH，若與苯環(huán)相連的碳原子為手性碳，則可生成α-氨基酸（C正確）；分子中苯環(huán)（3molH?）、肽鍵（不加成）、雙鍵（1molH?），共需4molH?（D錯(cuò)誤）。答案：C9.CO?合成甲醇反應(yīng)調(diào)控工業(yè)上用CO?和H?合成甲醇的反應(yīng)為CO?(g)+3H?(g)?CH?OH(g)+H?O(g)ΔH=-49kJ/mol。下列措施既能提高反應(yīng)速率又能提高CO?平衡轉(zhuǎn)化率的是（）A.升高溫度B.加入高效催化劑C.壓縮反應(yīng)容器體積D.分離出CH?OH解析：該反應(yīng)為氣體分子數(shù)減少的放熱反應(yīng)。壓縮體積（增大壓強(qiáng)）可加快反應(yīng)速率，且平衡正向移動(dòng)（CO?轉(zhuǎn)化率提高，C正確）。升高溫度速率加快，但平衡逆向移動(dòng)（轉(zhuǎn)化率降低，A錯(cuò)誤）；催化劑不影響平衡（B錯(cuò)誤）；分離CH?OH可提高轉(zhuǎn)化率，但速率降低（D錯(cuò)誤）。答案：C10.超導(dǎo)材料晶胞結(jié)構(gòu)某種新型超導(dǎo)材料的晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示（晶胞參數(shù)a=b=c=0.5nm），其中Cu原子位于頂點(diǎn)和體心，O原子位于棱心。該晶體的化學(xué)式為（）A.CuOB.Cu?OC.Cu?O?D.Cu?O?解析：晶胞中Cu原子數(shù)=8×1/8（頂點(diǎn)）+1×1（體心）=2；O原子數(shù)=12×1/4（棱心）=3。原子個(gè)數(shù)比Cu:O=2:3，化學(xué)式為Cu?O?？（注：題目選項(xiàng)中無此答案，可能原晶胞結(jié)構(gòu)描述有誤。若O原子位于面心，則O數(shù)=6×1/2=3，Cu:O=2:3；若O位于頂點(diǎn)，則O數(shù)=8×1/8=1，Cu:O=2:1，對(duì)應(yīng)Cu?O（B選項(xiàng)）。此處按常見超導(dǎo)材料Cu?O結(jié)構(gòu)修正，答案：B）二、填空題（共60分）11.工業(yè)流程分析（15分）以黃銅礦（主要成分為CuFeS?，含少量SiO?）為原料制備膽礬（CuSO?·5H?O）的流程如下：焙燒→酸浸→除鐵→結(jié)晶（1）焙燒時(shí)，CuFeS?與O?反應(yīng)生成CuO、Fe?O?和SO?，寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式：。（2）酸浸后溶液中含有的金屬陽離子有，濾渣的主要成分是__________。（3）除鐵步驟中，加入H?O?將Fe2?氧化為Fe3?，再調(diào)節(jié)pH至3.5，生成Fe(OH)?沉淀。若溶液中c(Fe3?)=0.01mol/L，計(jì)算Fe(OH)?的溶度積Ksp=__________（已知pH=3.5時(shí)，c(OH?)=3.16×10?11mol/L）。答案：（1）4CuFeS?+13O?$\xlongequal{高溫}$4CuO+2Fe?O?+8SO?（3分）（2）Cu2?、Fe3?、Fe2?（3分）；SiO?（2分）（3）Ksp=c(Fe3?)·c3(OH?)=0.01×(3.16×10?11)3≈0.01×3.1×10?32=3.1×10?3?（7分）12.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與誤差分析（15分）用重量法測(cè)定某樣品中BaCl?·2H?O的純度，步驟如下：①稱取樣品→②溶解→③加入過量Na?SO?溶液→④過濾→⑤洗滌沉淀→⑥烘干→⑦稱量。（1）步驟③中判斷Na?SO?溶液過量的方法是__________。（2）步驟⑤中，用蒸餾水洗滌BaSO?沉淀的目的是__________。（3）若步驟⑥中沉淀烘干溫度過高（>300℃），會(huì)導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果__________（填“偏高”“偏低”或“無影響”），原因是__________。答案：（1）靜置后向上層清液中滴加1滴Na?SO?溶液，無白色沉淀生成（4分）（2）除去沉淀表面吸附的Cl?、Na?等離子（4分）（3）偏低（3分）；BaSO?在高溫下會(huì)分解（BaSO?$\xlongequal{>800℃}$BaO+SO?↑），導(dǎo)致沉淀質(zhì)量減?。?分）13.配位化學(xué)與催化（15分）某科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種雙核銅催化劑[Cu?(L)(OAc)?]（L為含N配體），可高效催化CO?與環(huán)氧丙烷反應(yīng)生成環(huán)狀碳酸酯。（1）Cu2?的價(jià)電子排布式為__________，該催化劑中Cu的配位數(shù)為__________（已知配體L提供2個(gè)N原子，OAc?提供1個(gè)O原子）。（2）寫出CO?與環(huán)氧丙烷（$\ce{-CH2-CH2-CH2-O-}$）反應(yīng)的化學(xué)方程式：__________。答案：（1）3d?（3分）；4（每個(gè)Cu結(jié)合2個(gè)N和2個(gè)O，配位數(shù)=4，3分）（2）CO?+$\ce{}$$\xlongequal{催化劑}$$\ce{}$（環(huán)狀碳酸酯，9分）14.熱力學(xué)計(jì)算（15分）已知25℃時(shí)，反應(yīng)2NO(g)+O?(g)?2NO?(g)的ΔH=-114kJ/mol，ΔS=-146J/(mol·K)。（1）計(jì)算該反應(yīng)的ΔG=kJ/mol，判斷反應(yīng)是否自發(fā)：（填“自發(fā)”或“非自發(fā)”）。（2）若升高溫度，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K將__________（填“增大”“減小”或“不變”）。答案：（1）ΔG=ΔH-TΔS=-114kJ/mol-298K×(-0.146kJ/(mol·K))≈-114+43.5=-70.5kJ/mol（8分）；自發(fā)（2分）（2）減?。ㄔ摲磻?yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動(dòng)，K減小，5分）三、計(jì)算題（30分）15.溶液平衡與滴定分析（30分）用0.1000mol/LNaOH溶液滴定20.00mL某H?PO?溶液，滴定曲線如圖所示（已知H?PO?的Ka?=7.5×10?3，Ka?=6.2×10??，Ka?=4.8×10?13）。（1）計(jì)算H?PO?溶液的濃度。（2）求滴定至第一計(jì)量點(diǎn)時(shí)溶液的pH。解析：（1）第一計(jì)量點(diǎn)消耗NaOH體積V?=15.00mL，反應(yīng)為H?PO?+NaOH=NaH?PO?+H?O。n(H?PO?)=n(NaOH)=0.1000mol/L×0.015L=0.0015molc(H?PO?)=0.0015mol/0.020L=0.075mol/L（15分）（2）第一計(jì)量點(diǎn)生成NaH?PO?，濃度c=0.075×20/(20+15)=0.0429mol/L。pH=(pKa?+pKa?)/2=(2.12+7.21)/2≈4.67（15分）答案：（1）0.075mol/L；（2）4.67四、創(chuàng)新探究題（30分）16.碳中和與能源轉(zhuǎn)化（30分）為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，某研究團(tuán)隊(duì)提出“光伏-電解-催化”三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)：利用太陽能發(fā)電，電解水制H?，再通過催化反應(yīng)將CO?轉(zhuǎn)化為CH?。（1）寫出電解水的陽極反應(yīng)式：__________，若電解槽電壓為1.23V，電流效率為80%，則生產(chǎn)1m3H?（標(biāo)準(zhǔn)狀況）需消耗電能__________kWh（計(jì)算式：W=UIt，1kWh=3.6×10?J）。（2）已知CO?甲烷化反應(yīng)：CO?(g)+4H?(g)?CH?(g)+2H?O(g)ΔH=-165kJ/mol。若在某條件下Kp=1.0×10?（kPa?2），反應(yīng)體系中p(CO?)=0.1kPa，p(H?)=10kPa，p(CH?)=1kPa，p(H?O)=10kPa，判斷反應(yīng)方向并說明理由。答案：（1）陽極：2H?O-4e?=O?↑+4H?（6分）；n(H?)=1000L/22.4L/mol≈44.64mol，轉(zhuǎn)移電子n(e?)=89.28mol，理論電能W理=UIt=UQ=1.23V×89