2025年高中化學(xué)競賽前沿科技試題專項訓(xùn)練（一）一、選擇題（每題3分，共30分）金屬有機框架材料（MOFs）基礎(chǔ)應(yīng)用2025年諾貝爾化學(xué)獎授予MOFs材料開發(fā)者，這類材料由金屬離子與有機配體通過配位鍵構(gòu)建三維晶體結(jié)構(gòu)。下列關(guān)于MOFs的說法錯誤的是（）A.屬于配位化合物范疇，金屬離子為中心原子B.框架內(nèi)部的空腔可用于氣體吸附與分離C.合成過程需控制金屬離子與配體的比例以形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)D.因含金屬元素，該材料屬于新型無機非金屬材料解析：MOFs材料由金屬離子與有機配體通過配位鍵結(jié)合，屬于配位化合物，A正確；其多孔結(jié)構(gòu)可選擇性吸附氣體分子，如CO?、H?等，B正確；配位數(shù)與配體結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，需通過比例調(diào)控實現(xiàn)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，C正確；MOFs含有機配體，屬于有機-無機雜化材料，而非單純無機非金屬材料，D錯誤。綠色化學(xué)與原子經(jīng)濟性下列化工生產(chǎn)實踐不符合原子經(jīng)濟性要求的是（）A.采用單原子催化技術(shù)將CO?轉(zhuǎn)化為甲醇B.用乙烯直接氧化制備環(huán)氧乙烷（原子利用率100%）C.通過中和反應(yīng)處理含酸廢水后排放D.利用MOFs材料從空氣中捕獲CO?并資源化利用解析：原子經(jīng)濟性要求反應(yīng)物原子盡可能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。A項CO?轉(zhuǎn)化為甲醇實現(xiàn)碳資源利用；B項乙烯氧化為環(huán)氧乙烷無副產(chǎn)物；D項CO?捕獲后可合成燃料或化學(xué)品，均符合原子經(jīng)濟性。C項中和反應(yīng)生成鹽和水，但未實現(xiàn)廢水資源化，原子利用率低，不符合要求。MOFs材料結(jié)構(gòu)分析某MOFs材料由Zn2?與對苯二甲酸（C?H?O?）構(gòu)建，其晶胞參數(shù)為a=2.5nm。下列說法正確的是（）A.該材料的化學(xué)式可表示為ZnC?H?O?B.晶胞中Zn2?與配體的配位數(shù)取決于有機配體的結(jié)構(gòu)C.材料的孔徑大小與對苯二甲酸分子的長度無關(guān)D.升溫會增強材料對CO?的吸附能力解析：對苯二甲酸（C?H?O?）中羧基（-COOH）與Zn2?配位時，每個配體提供2個氧原子，化學(xué)式需考慮電荷平衡，應(yīng)為Zn(C?H?O?)，A錯誤；配位數(shù)由配體齒數(shù)（如單齒、雙齒）決定，B正確；孔徑大小與配體分子長度直接相關(guān)，C錯誤；吸附為放熱過程，升溫會降低吸附能力，D錯誤。化學(xué)與能源轉(zhuǎn)化下列關(guān)于化學(xué)與能源的說法錯誤的是（）A.MOFs材料可用于儲氫，其儲氫原理與金屬氫化物不同B.單原子催化劑能降低電解水的活化能，提高氫能轉(zhuǎn)化效率C.鋰離子電池的能量密度高于鉛酸電池，是因為Li?的摩爾質(zhì)量更小D.利用人工光合作用將CO?轉(zhuǎn)化為燃料，符合“碳中和”理念解析：MOFs通過物理吸附儲氫，金屬氫化物通過化學(xué)吸附（形成氫化物）儲氫，原理不同，A正確；單原子催化劑具有高活性和選擇性，可降低電解水過電勢，B正確；鋰離子電池能量密度高的核心原因是Li?的高遷移率和電極材料的高比容量，而非摩爾質(zhì)量，C錯誤；人工光合作用將CO?轉(zhuǎn)化為燃料（如甲醇），實現(xiàn)碳循環(huán)，D正確。航天材料化學(xué)特性開運一號衛(wèi)星采用的三維結(jié)構(gòu)功能一體化材料通過碳基PEEK絲材3D打印制備，PEEK（聚醚醚酮）屬于（）A.熱固性塑料B.無機非金屬材料C.熱塑性高分子材料D.復(fù)合材料基體樹脂解析：PEEK是線性高分子材料，加熱可熔融塑形，冷卻后保持形狀，屬于熱塑性塑料，C正確；熱固性塑料（如酚醛樹脂）加熱固化后不可再加工，A錯誤；PEEK含碳、氫、氧元素，為有機高分子，B錯誤；復(fù)合材料基體樹脂需與增強體（如碳纖維）復(fù)合，題目未提及復(fù)合過程，D錯誤。含能材料性能矛盾TYX系列含能材料破解了傳統(tǒng)含能材料的“不可能三角”困境，其創(chuàng)新分子設(shè)計的關(guān)鍵在于（）A.引入氟元素增強氧化性B.構(gòu)建平面雙內(nèi)鹽高氮骨架結(jié)構(gòu)C.采用納米涂層提高穩(wěn)定性D.開發(fā)多孔結(jié)構(gòu)提升能量密度解析：含能材料“不可能三角”指高能、低感、耐熱難以兼顧。高氮骨架（如-N=N-、-N?等）通過氮氮鍵斷裂釋放能量，同時雙內(nèi)鹽結(jié)構(gòu)可降低機械敏感度，B正確；氟元素雖增強氧化性，但可能增加感度，A錯誤；納米涂層主要提升穩(wěn)定性，無法同時解決能量與感度矛盾，C錯誤；多孔結(jié)構(gòu)可能降低密度，影響能量密度，D錯誤。相變存儲材料機理西安交大研發(fā)的CrTe?相變存儲材料可消除電阻漂移，其核心機理是（）A.形成完美八面體局部結(jié)構(gòu)B.引入稀土元素穩(wěn)定晶格C.采用梯度摻雜調(diào)節(jié)能帶D.通過激光退火消除缺陷解析：CrTe?在相變過程中形成Cr原子構(gòu)成的八面體局部有序結(jié)構(gòu)，抑制晶格畸變，從而消除電阻漂移，A正確；該材料未引入稀土元素，B錯誤；梯度摻雜主要用于調(diào)節(jié)半導(dǎo)體性能，C錯誤；激光退火用于修復(fù)缺陷，但CrTe?的優(yōu)勢在于本征結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，D錯誤。空間環(huán)境材料測試航天器材料需通過極端環(huán)境考核，下列不屬于空間環(huán)境模擬測試的是（）A.熱真空循環(huán)試驗B.質(zhì)子輻照效應(yīng)測試C.鹽霧腐蝕試驗D.微重力材料性能演變觀察解析：空間環(huán)境包括高真空、強輻射、極端溫差、微重力等，A、B、D均為模擬空間環(huán)境測試；鹽霧腐蝕主要針對海洋或潮濕大氣環(huán)境，不屬于空間環(huán)境，C正確。高氮含能材料能量來源高氮含能材料的能量主要來源于（）A.氮-氮鍵的高生成焓B.碳-碳鍵的斷裂能C.金屬離子的氧化還原反應(yīng)D.氫鍵網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性解析：氮分子（N?）生成焓極低（約0kJ/mol），而高氮化合物中N-N鍵（如-N=N-鍵能約418kJ/mol）斷裂后轉(zhuǎn)化為N?釋放大量能量，A正確；碳-碳鍵斷裂能較低（如C-C鍵能約347kJ/mol），B錯誤；高氮材料通常不含金屬離子，C錯誤；氫鍵能量較弱（約20kJ/mol），無法提供高能，D錯誤。實驗方案設(shè)計與評價下列實驗方案能達到實驗?zāi)康牡氖牵ǎ嶒災(zāi)康膶嶒灧桨蛤炞CMOFs材料的吸附性將MOFs粉末加入溴水中，觀察褪色速率比較C與Si的非金屬性測定相同濃度的H?CO?與H?SiO?的pH檢驗Fe3?與MOFs的配位作用向FeCl?溶液中加入MOFs，檢測溶液電導(dǎo)率變化證明甲烷與MOFs的吸附為物理變化測定吸附前后MOFs的紅外光譜解析：A項溴水褪色可能因MOFs吸附溴分子或催化分解，需結(jié)合濃度變化定量分析；B項H?CO?與H?SiO?濃度不同（H?SiO?難溶），pH測定不準確；C項Fe3?與MOFs配位后，溶液中離子濃度降低，電導(dǎo)率減小，可證明配位作用；D項物理吸附不改變分子結(jié)構(gòu)，紅外光譜無新峰生成，正確。二、填空題（每空2分，共20分）金屬有機框架（MOFs）材料的核心性能參數(shù)包括__________、和，其中__________決定其氣體分離效率。答案：比表面積、孔徑分布、熱穩(wěn)定性；孔徑分布含能材料“不可能三角”指的是__________、__________、__________三者難以同時兼顧的性能矛盾。答案：高能、低感、耐熱西安交大研發(fā)的CrTe?相變材料在__________℃至__________℃的寬溫區(qū)內(nèi)無明顯電阻漂移，可用于航天器極端溫度環(huán)境下的存儲器件。答案：-196；120三維結(jié)構(gòu)功能一體化宇航材料在開運一號衛(wèi)星上主要開展兩項在軌測試：和，以驗證其空間環(huán)境適應(yīng)性。答案：力學(xué)性能演變監(jiān)測；熱循環(huán)穩(wěn)定性測試三、計算題（共20分）MOFs材料儲氫性能計算（10分）某MOFs材料的比表面積為2000m2/g，每個吸附位點可吸附1個H?分子，假設(shè)H?分子在材料表面為密堆積單層吸附，分子直徑為0.28nm。計算1g該材料理論儲氫量（單位：g/g）。解答：單個H?分子截面積：S=πr2=π(0.14×10??m)2≈6.16×10?2?m21g材料總吸附面積：2000m2/g×1g=2000m2吸附H?分子數(shù)：N=2000m2/6.16×10?2?m2≈3.25×1022儲氫質(zhì)量：m=(3.25×1022/6.02×1023mol?1)×2g/mol≈0.108g理論儲氫量：0.108g/g含能材料爆轟焓變計算（10分）TYX含能材料的爆轟反應(yīng)方程式為：C?H?N?O?(s)→3CO(g)+3CO?(g)+2H?O(g)+4N?(g)已知298K時各物質(zhì)的標準摩爾生成焓（ΔfHm°）為：CO(g)：-110.5kJ/mol，CO?(g)：-393.5kJ/mol，H?O(g)：-241.8kJ/mol，TYX(s)：-420kJ/mol計算該反應(yīng)的爆轟焓變ΔH，并說明高氮含能材料釋放能量的原因。解答：ΔH=ΣΔfHm°(產(chǎn)物)-ΣΔfHm°(反應(yīng)物)產(chǎn)物焓變總和：3×(-110.5)+3×(-393.5)+2×(-241.8)+4×0=-331.5-1180.5-483.6=-1995.6kJ/mol反應(yīng)物焓變：-420kJ/molΔH=-1995.6-(-420)=-1575.6kJ/mol能量釋放原因：高氮含能材料中N-N鍵（生成焓高）斷裂轉(zhuǎn)化為N?（生成焓極低），同時CO和CO?的生成焓為負值，體系能量顯著降低，釋放大量熱能。四、實驗設(shè)計題（20分）題目：設(shè)計實驗驗證某MOFs材料對CO?的選擇性吸附性能，并比較其與N?的吸附差異。要求：（1）列出實驗所需儀器與試劑；（2）設(shè)計實驗步驟，包括樣品預(yù)處理、吸附測試、數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)；（3）預(yù)期實驗結(jié)果及分析依據(jù)。參考答案：儀器與試劑儀器：全自動氣體吸附儀、真空干燥箱、電子天平、CO?/N?氣瓶（純度99.99%）試劑：MOFs樣品（如UiO-66）、無水乙醇（洗滌用）實驗步驟（1）樣品預(yù)處理：取0.1gMOFs樣品，用無水乙醇洗滌3次，真空干燥（120℃，12h）以去除殘留溶劑和水分。（2）吸附測試：將處理后的樣品裝入吸附儀樣品管，在100℃下真空脫氣2h，冷卻至25℃。分別通入CO?和N?，測定0-1bar壓力范圍內(nèi)的吸附等溫線（體積法），記錄不同壓力下的氣體吸附量（cm3/g）。（3）數(shù)據(jù)處理：繪制CO?和N?的吸附等溫線，計算25℃、1bar下的吸附量比值（CO?/N?）。預(yù)期結(jié)果與分析結(jié)果：CO?吸附等溫線呈Langmuir型，1bar下吸附量約為N?的10-20倍；N?吸附量隨壓力變化平緩。分析依據(jù)：MOFs材料孔徑與CO?分子動力學(xué)直徑（0.33nm）匹配，與N?（0.36nm）存在尺寸篩分效應(yīng)；CO?為極性分子，