2025年高中化學(xué)競賽STSE試題專項(xiàng)訓(xùn)練（二）一、環(huán)境化學(xué)與污染治理（一）含氮廢水處理的動(dòng)態(tài)過程分析某化工廠排放的廢水中含有NH??、NO??和NO??三種形態(tài)氮元素，在通入O?條件下通過生物硝化作用實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)測得不同pH條件下各形態(tài)氮濃度隨時(shí)間變化曲線（如圖1），其中pH=7.5時(shí)反應(yīng)速率最快，25℃下2小時(shí)內(nèi)NH??轉(zhuǎn)化率達(dá)92%。問題1：寫出亞硝化菌和硝化菌參與的兩步反應(yīng)方程式。解析：生物硝化過程分為兩個(gè)階段：亞硝化階段：2NH??+3O?→2NO??+2H?O+4H?（亞硝化菌催化）硝化階段：2NO??+O?→2NO??（硝化菌催化）關(guān)鍵思路：注意反應(yīng)前后N元素的價(jià)態(tài)變化（-3→+3→+5），結(jié)合氧氣作為氧化劑的電子得失守恒。問題2：計(jì)算25℃、pH=7.5時(shí)NH??的表觀反應(yīng)速率常數(shù)（初始濃度c?=0.1mol/L，2小時(shí)后濃度c=0.008mol/L）。解析：假設(shè)反應(yīng)為一級反應(yīng)，速率方程：ln(c?/c)=kt代入數(shù)據(jù)：ln(0.1/0.008)=k×2h→k=ln(12.5)/2≈1.28h?1易錯(cuò)點(diǎn)：需驗(yàn)證反應(yīng)級數(shù)，若假設(shè)為零級反應(yīng)則k=(0.1-0.008)/2=0.046mol/(L·h)，需根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷反應(yīng)級數(shù)。問題3：解釋pH<6時(shí)反應(yīng)速率顯著下降的原因。解析：酸性條件下，H?與NO??結(jié)合生成HNO?，發(fā)生歧化反應(yīng)：3HNO?→HNO?+2NO↑+H?O，導(dǎo)致NO??濃度降低，硝化階段底物不足；同時(shí)pH過低會(huì)抑制細(xì)菌酶活性，降低催化效率。（二）碳捕集技術(shù)中的化學(xué)平衡鈣基吸收法是工業(yè)上常用的CO?捕集技術(shù)，原理為CaO(s)+CO?(g)?CaCO?(s)ΔH=-178kJ/mol。某研究團(tuán)隊(duì)在不同溫度下測定該反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp（以分壓表示），數(shù)據(jù)如下表：溫度/℃500600700800Kp/MPa?112.53.20.80.2問題4：判斷該反應(yīng)的熵變?chǔ)的正負(fù)，并說明理由。解析：反應(yīng)由氣體分子數(shù)減少（1→0），體系混亂度降低，故ΔS<0（熵減反應(yīng)）。關(guān)聯(lián)考點(diǎn)：根據(jù)吉布斯自由能方程ΔG=ΔH-TΔS，低溫下ΔG<0反應(yīng)自發(fā)，高溫下ΔG>0反應(yīng)逆向進(jìn)行，解釋表格中Kp隨溫度升高而減小的現(xiàn)象。問題5：工業(yè)上常在吸收塔后設(shè)置再生塔，通過熱解CaCO?回收CO?。若再生塔操作壓力為0.1MPa，計(jì)算CaCO?開始分解的最低溫度。解析：分解反應(yīng)為CaCO?(s)?CaO(s)+CO?(g)，Kp'=p(CO?)。當(dāng)Kp'=1/Kp=10MPa?1時(shí)，p(CO?)=0.1MPa，對應(yīng)Kp=10MPa?1。查表格數(shù)據(jù)，用內(nèi)插法計(jì)算500℃（Kp=12.5）與600℃（Kp=3.2）間對應(yīng)溫度，解得T≈520℃。解題技巧：利用平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系，通過已知數(shù)據(jù)建立線性方程：lnKp=-ΔH/(RT)+C，代入兩組數(shù)據(jù)求解方程后計(jì)算目標(biāo)溫度。二、能源化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展（一）新型電池技術(shù)的原理與應(yīng)用鈉離子電池因資源豐富、成本低廉成為鋰離子電池的理想替代品。某全固態(tài)鈉電池結(jié)構(gòu)如圖2所示，電極反應(yīng)為：正極：Na?.?MnO??Na?.???MnO?+xNa?+xe?負(fù)極：Na?Sb?Na???Sb+xNa?+xe?問題6：寫出電池總反應(yīng)方程式，并計(jì)算理論比容量（1mol電子轉(zhuǎn)移對應(yīng)容量為26800mAh/mol，Na?.?MnO?摩爾質(zhì)量為122g/mol）。解析：總反應(yīng)：Na?.?MnO?+Na?Sb=Na?.???MnO?+Na???Sb+xNa?（x=0.5時(shí)完全反應(yīng)）當(dāng)x=0.5時(shí)，1molNa?.?MnO?轉(zhuǎn)移0.5mol電子，比容量=（0.5mol×26800mAh/mol）/122g≈109mAh/g關(guān)鍵公式：比容量=（電子轉(zhuǎn)移數(shù)×26800）/活性物質(zhì)摩爾質(zhì)量問題7：解釋該電池使用硫化物固體電解質(zhì)（如Na?PS?）比液態(tài)電解質(zhì)更安全的原因。解析：固體電解質(zhì)具有不可燃性，可避免液態(tài)電解質(zhì)的漏液、揮發(fā)等問題；同時(shí)抑制鈉枝晶生長，防止電池短路引發(fā)爆炸，且在寬溫度范圍內(nèi)（-40~120℃）保持穩(wěn)定離子導(dǎo)電性。（二）氫能制備與儲(chǔ)存光催化分解水制氫是利用太陽能的理想途徑，核心反應(yīng)為2H?O→2H?↑+O?↑。某研究使用CdS/TiO?復(fù)合催化劑，在λ=420nm光照下量子效率達(dá)18%。問題8：計(jì)算2g催化劑在1小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生H?的體積（標(biāo)準(zhǔn)狀況下，光子能量E=hc/λ，h=6.626×10?3?J·s，c=3×10?m/s，假設(shè)催化劑吸收80%的入射光，光功率密度為100mW/cm2，催化劑面積10cm2）。解析：入射光能量：100mW/cm2×10cm2×3600s=3.6×10?J吸收能量：3.6×10?J×80%=2.88×10?J單個(gè)光子能量：E=6.626×10?3?×3×10?/(420×10??)≈4.73×10?1?J光子數(shù)：2.88×10?J/4.73×10?1?J≈6.09×1023量子效率18%→有效光子數(shù)=6.09×1023×18%=1.096×10232H?O~4e?~2H?，4光子產(chǎn)生2H?（假設(shè)每個(gè)光子激發(fā)1電子），故H?分子數(shù)=1.096×1023/2=5.48×1022體積=（5.48×1022/6.02×1023）×22.4L≈2.02L難點(diǎn)突破：建立光子數(shù)-電子數(shù)-H?產(chǎn)量的定量關(guān)系，注意量子效率的定義（產(chǎn)生電子數(shù)/吸收光子數(shù)）。三、材料化學(xué)與工程應(yīng)用（一）金屬有機(jī)框架材料（MOFs）的氣體吸附MOFs材料Cu-BTC的結(jié)構(gòu)單元為[Cu?(BTC)?]（BTC=均苯三甲酸），其三維孔道可選擇性吸附CO?。實(shí)驗(yàn)測得273K時(shí)CO?在Cu-BTC上的吸附等溫線符合Langmuir模型：θ=ap/(1+ap)，其中θ為覆蓋率，a為吸附常數(shù)，p為CO?分壓。問題9：當(dāng)p=10kPa時(shí)θ=0.8，計(jì)算a值及飽和吸附量（假設(shè)1gCu-BTC含1.2×1021個(gè)吸附位點(diǎn)）。解析：代入Langmuir方程：0.8=a×10/(1+a×10)→a=0.4kPa?1飽和吸附量=1.2×1021個(gè)/g×6.02×1023個(gè)/mol?1×22.4L/mol≈4.48L/g（標(biāo)準(zhǔn)狀況）模型應(yīng)用：Langmuir模型適用于單分子層吸附，需與BET模型（多層吸附）區(qū)分，后者適用于多孔材料的比表面積測定。（二）高分子材料的降解與回收聚乳酸（PLA）是可降解塑料的典型代表，其在土壤中通過酯鍵水解和微生物代謝分解為CO?和H?O。某研究對比PLA與傳統(tǒng)聚乙烯（PE）的降解性能，數(shù)據(jù)如下表：材料分子量/萬6個(gè)月降解率降解產(chǎn)物PLA862%乳酸、CO?PE100.3%無明顯變化問題10：從分子結(jié)構(gòu)角度分析PLA比PE易降解的原因。解析：PLA分子鏈中含有酯基（-COO-），可被土壤中的酯酶催化水解，生成小分子乳酸；而PE分子由非極性C-C單鍵連接，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且缺乏可水解基團(tuán)，只能通過光氧化緩慢降解，降解周期長達(dá)數(shù)百年。延伸思考：對比聚羥基脂肪酸酯（PHA）與PLA的降解性能差異，考慮側(cè)鏈基團(tuán)對酶催化活性的影響。四、綜合應(yīng)用題：碳中和技術(shù)路線分析某碳中和項(xiàng)目擬采用“光伏制氫-CO?加氫制甲醇”技術(shù)路線，涉及以下過程：光伏電解水制氫：2H?O→2H?↑+O?↑CO?加氫：CO?(g)+3H?(g)?CH?OH(g)+H?O(g)ΔH=-49.0kJ/mol問題11：計(jì)算理論上制備1噸甲醇所需的光伏發(fā)電量（假設(shè)電解水效率70%，H?轉(zhuǎn)化率85%，1kWh=3.6×10?J，H?燃燒熱285.8kJ/mol）。解析：1噸甲醇物質(zhì)的量=10?g/32g/mol=31250mol需H?量=31250mol×3/0.85≈1.103×10?mol電解水能耗=1.103×10?mol×285.8kJ/mol/0.7≈4.52×10?kJ發(fā)電量=4.52×10?kJ/3.6×103kJ/kWh≈1.256×10?kWh系統(tǒng)思維：需考慮各環(huán)節(jié)能量損失，如電解效率、氣體分離能耗、反應(yīng)轉(zhuǎn)化率等，實(shí)際能耗通常比理論值高30%~50%。問題12：為提高CO?加氫反應(yīng)的選擇性，工業(yè)上常采用Cu-ZnO-Al?O?催化劑，解釋ZnO的作用。解析：ZnO作為助劑可調(diào)節(jié)Cu活性位點(diǎn)的電子密度，抑制副反應(yīng)（如CO?甲烷化：CO?+4H?→CH?+2H?O）；同時(shí)ZnO與Cu形成固溶體，提高催化劑的熱穩(wěn)定性，防止Cu顆粒在高溫下燒結(jié)。五、解題策略與方法總結(jié)（一）STSE試題的思維建模情境拆解：將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為化學(xué)模型（如廢水處理→反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，電池設(shè)計(jì)→電極反應(yīng)）跨模塊整合：結(jié)合熱力學(xué)（ΔG、K）、動(dòng)力學(xué)（速率方程）、結(jié)構(gòu)化學(xué)（價(jià)鍵理論）等知識數(shù)據(jù)處理：掌握線性擬合（如Arrhenius方程lnk=-Ea/RT+lnA）、圖表分析（提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)）（二）常見計(jì)算類型及公式類型核心公式應(yīng)用場景反應(yīng)速率v=Δc/Δt，ln(c?/c)=kt（一級反應(yīng)）污染物降解、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)平衡常數(shù)Kp=Kc(RT)^Δn，ΔG°=-RTlnK氣體反應(yīng)、溶解度計(jì)算電化學(xué)E=E°-RT/nFlnQ（能斯特方程）電池電動(dòng)勢、pH測定材料性能比表面積=吸附量/（氣體分子截面積×Avogadro常數(shù)）MOFs、活性炭吸附（三）易錯(cuò)點(diǎn)警示單位換算：注意能量單位（J/kJ）、時(shí)間單位（s/h）、濃度單位（mol/L與g/L）的統(tǒng)一近似處理：當(dāng)K<<1時(shí)