2025年高中化學(xué)競賽創(chuàng)造性思維測試（三）一、選擇題（共5小題，每題4分，共20分）1.新型儲能材料的化學(xué)原理某團(tuán)隊研發(fā)的鈉離子電池正極材料為層狀結(jié)構(gòu)的Na?Mn?O?，其儲鈉過程可表示為Na?Mn?O?+xNa?+xe?→Na???Mn?O?。下列說法錯誤的是（）A.充電時，Na?從正極向負(fù)極遷移B.若x=0.5，則Mn元素的平均化合價由+3.67變?yōu)?3.5C.該材料的儲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，理論上生成44.8LCl?（標(biāo)準(zhǔn)狀況）解析：選項A：充電時為電解過程，陽離子向陰極（原電池的負(fù)極）移動，正確。選項B：初始Mn平均化合價為（14-2）/3=+3.67，x=0.5時總正電荷為2.5+3Mn=14，解得Mn為+3.5，正確。選項C：層狀結(jié)構(gòu)的空隙大小直接影響Na?嵌入/脫嵌能力，正確。選項D：電解飽和食鹽水時，陽極反應(yīng)為2Cl?-2e?=Cl?↑，轉(zhuǎn)移2mol電子生成1molCl?（22.4L），錯誤。2.手性分子的識別與應(yīng)用沙利度胺（Thalidomide）的兩種對映異構(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：選項A：分子中肽鍵的C原子為sp2雜化，錯誤。選項B：對映異構(gòu)體的核磁共振氫譜完全相同，無法鑒別，錯誤。選項C：分子中含有肽鍵（-CONH-），水解后可生成鄰苯二甲酰亞胺和谷氨酸類似物，屬于α-氨基酸衍生物，正確。選項D：分子中苯環(huán)可加成3molH?，碳碳雙鍵加成1mol，共4mol，錯誤。3.化學(xué)熱力學(xué)與反應(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：選項A：升高溫度加快反應(yīng)速率，但逆反應(yīng)（吸熱）占優(yōu)，平衡逆向移動，轉(zhuǎn)化率降低，錯誤。選項B：催化劑不影響平衡轉(zhuǎn)化率，錯誤。選項C：壓縮體積增大壓強，反應(yīng)速率加快，且平衡向氣體分子數(shù)減少的方向（正向）移動，轉(zhuǎn)化率提高，正確。選項D：分離出CH?OH可提高轉(zhuǎn)化率，但會降低反應(yīng)速率，錯誤。4.物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)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：Cu原子數(shù)：頂點8×1/8=1，體心1，共2個。O原子數(shù)：棱心12×1/4=3，共3個?；瘜W(xué)式：Cu?O?？選項無此答案，推測題目中O原子位于面心（6×1/2=3），則Cu?O?仍不匹配。重新計算：若Cu為頂點（8×1/8=1）+面心（6×1/2=3）=4，O為棱心12×1/4=3，得Cu?O?（選項D）。5.實驗設(shè)計與誤差分析用重量法測定某樣品中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。下列操作會導(dǎo)致測定結(jié)果偏高的是（）A.步驟③中Na?SO?溶液未過量B.步驟⑤中沉淀未洗滌干凈C.步驟⑥中沉淀烘干溫度過高（>300℃）D.步驟⑦中天平砝碼生銹解析：選項A：Ba2?未完全沉淀，沉淀質(zhì)量偏小，結(jié)果偏低，錯誤。選項B：沉淀吸附Cl?或Na?，質(zhì)量偏大，但洗滌不干凈對結(jié)果的影響需具體分析，通常視為偏低（若吸附雜質(zhì)質(zhì)量小于損失的BaSO?），錯誤。選項C：BaSO?在高溫下穩(wěn)定，烘干溫度過高不影響質(zhì)量，錯誤。選項D：砝碼生銹（質(zhì)量增大）導(dǎo)致稱量的沉淀質(zhì)量偏大，計算出的BaCl?·2H?O質(zhì)量偏高，正確。二、填空題（共3小題，共40分）6.工業(yè)流程分析與計算（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）的工藝如下：工藝流程圖：黃銅礦→粉碎→焙燒→酸浸→過濾→氧化→調(diào)節(jié)pH→過濾→蒸發(fā)結(jié)晶→膽礬（1）焙燒時生成Fe?O?、CuO和SO?，寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式：。（2）酸浸時，需加入過量稀硫酸，目的是。濾渣1的主要成分是________。（3）氧化步驟中加入H?O?溶液，將Fe2?氧化為Fe3?，反應(yīng)的離子方程式為________。若省略此步驟，直接調(diào)節(jié)pH，會導(dǎo)致的后果是________。（4）調(diào)節(jié)pH的范圍應(yīng)為________（已知Fe(OH)?的Ksp=4×10?3?，Cu(OH)?的Ksp=2.2×10?2?，當(dāng)離子濃度≤10??mol/L時視為沉淀完全）。（5）若處理100kg黃銅礦（含CuFeS?80%），最終得到膽礬150kg，則銅元素的回收率為________（保留3位有效數(shù)字）。答案：（1）4CuFeS?+13O?$\xlongequal{高溫}$2Fe?O?+4CuO+8SO?（2）提高銅、鐵的浸出率；SiO?（3）2Fe2?+H?O?+2H?=2Fe3?+2H?O；Fe2?與Cu2?共沉淀，降低膽礬純度（4）3.2~4.2（Fe3?沉淀完全時pH=-lg(√[4×10?3?/10??])=3.2；Cu2?開始沉淀時pH=-lg(√[2.2×10?2?/0.1])=4.2）（5）CuFeS?中Cu的質(zhì)量=100kg×80%×(64/184)=27.826kg；膽礬中Cu的質(zhì)量=150kg×(64/250)=38.4kg（數(shù)據(jù)異常，推測題目中膽礬質(zhì)量應(yīng)為100kg左右，按原題數(shù)據(jù)計算回收率為38.4/27.826≈138%，顯然錯誤，可能為題目數(shù)據(jù)有誤）7.化學(xué)熱力學(xué)與動力學(xué)綜合（15分）碳捕集與轉(zhuǎn)化是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。某團(tuán)隊研究了CO?與H?在催化劑表面合成CH?OH的反應(yīng)機理，提出如下步驟：Ⅰ.H?→2H*（吸附態(tài)H，活化能E?=20kJ/mol）Ⅱ.CO?→CO?*（活化能E?=15kJ/mol）Ⅲ.CO?*+H*→HCOO*（決速步，活化能E?=80kJ/mol）Ⅳ.HCOO*+3H*→CH?O*+H?O*（活化能E?=40kJ/mol）Ⅴ.CH?O*+H*→CH?OH*（活化能E?=10kJ/mol）Ⅵ.CH?OH*→CH?OH（活化能E?=5kJ/mol）（1）該反應(yīng)的總反應(yīng)方程式為________，ΔH=kJ/mol（已知H?、CO?、CH?OH、H?O的鍵能分別為436、745、413（C-H）、358（C-O）、463（O-H）kJ/mol，忽略吸附態(tài)能量變化）。（2）下列說法正確的是（填序號）。A.增大H?分壓可提高步驟Ⅰ的反應(yīng)速率B.催化劑可降低步驟Ⅲ的活化能E?C.該機理中，CH?OH的生成速率由步驟Ⅵ決定D.升高溫度，各步驟的正反應(yīng)速率均增大（3）在恒容密閉容器中通入1molCO?和3molH?，在不同溫度下達(dá)到平衡時，CH?OH的選擇性（生成CH?OH的CO?占總轉(zhuǎn)化CO?的百分比）與CO?轉(zhuǎn)化率的關(guān)系如圖所示。①T?________T?（填“>”“<”或“=”），判斷依據(jù)是________。②在T?溫度下，若CO?轉(zhuǎn)化率為20%，CH?OH的選擇性為80%，則平衡時n(CH?OH)=________mol，n(H?O)=________mol（不考慮其他副反應(yīng)）。答案：（1）CO?+3H?=CH?OH+H?O；ΔH=反應(yīng)物鍵能總和-生成物鍵能總和=（2×436+2×745）-[3×413+358+3×463+2×463]=（872+1490）-（1239+358+1389+926）=2362-3912=-1550kJ/mol（計算結(jié)果與題目中-49kJ/mol不符，推測題目中ΔH已知，直接填寫-49）（2）ABD（步驟Ⅲ為決速步，C錯誤）（3）①<；該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動，轉(zhuǎn)化率降低，故T?<T?時轉(zhuǎn)化率更高②n(CH?OH)=1mol×20%×80%=0.16mol；n(H?O)=0.16mol（根據(jù)總反應(yīng)，生成1molCH?OH同時生成1molH?O）8.實驗設(shè)計與創(chuàng)新（10分）某研究小組欲測定市售補鐵劑（主要成分為FeSO?·7H?O）中Fe2?的含量，設(shè)計了如下方案：方案一：直接用KMnO?標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定（MnO??+5Fe2?+8H?=Mn2?+5Fe3?+4H?O）方案二：先加入過量(NH?)?C?O?溶液，生成FeC?O?·2H?O沉淀，過濾、洗滌后，用稀硫酸溶解沉淀，再用KMnO?標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定C?O?2?（2MnO??+5C?O?2?+16H?=2Mn2?+10CO?↑+8H?O）（1）方案一中，需加入稀硫酸酸化，若用鹽酸代替，會導(dǎo)致測定結(jié)果________（填“偏高”“偏低”或“無影響”），原因是________。（2）方案二中，判斷FeC?O?·2H?O沉淀是否洗滌干凈的方法是________。（3）與方案一相比，方案二的優(yōu)點是________（寫出2點）。答案：（1）偏高；MnO??會氧化Cl?生成Cl?，消耗更多KMnO?（2）取最后一次洗滌液，滴加BaCl?溶液，若無白色沉淀生成，則洗滌干凈（3）①避免Fe2?被空氣中O?氧化，提高準(zhǔn)確性；②通過沉淀分離可消除其他還原性雜質(zhì)的干擾三、綜合探究題（共40分）9.碳中和背景下的能源轉(zhuǎn)化（20分）2025年我國某科研團(tuán)隊開發(fā)了“太陽能驅(qū)動CO?還原與甲醇合成”耦合系統(tǒng)，其核心原理為：光催化步驟：2H?O$\xlongequal{光}$2H?↑+O?↑（ΔH?=+571.6kJ/mol）熱催化步驟：CO?+3H?$\xlongequal{催化劑}$CH?OH+H?O（ΔH?=-49.0kJ/mol）（1）寫出總反應(yīng)的熱化學(xué)方程式：。該系統(tǒng)實現(xiàn)了________能向________能的轉(zhuǎn)化。（2）光催化步驟中，已知1molH?O分解吸收的能量相當(dāng)于________nm波長的光量子（h=6.626×10?3?J·s，c=3×10?m/s）。（3）熱催化步驟中，若在恒壓容器中通入CO?和H?的體積比為1:3，達(dá)到平衡時CO?的轉(zhuǎn)化率為α，平衡常數(shù)Kp=（用平衡分壓表示，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，設(shè)總壓為p）。（4）為提高甲醇產(chǎn)率，團(tuán)隊提出“雙催化劑串聯(lián)”方案：先用催化劑A將CO?轉(zhuǎn)化為CO（CO?+H?=CO+H?OΔH=+41kJ/mol），再用催化劑B將CO轉(zhuǎn)化為CH?OH（CO+2H?=CH?OHΔH=-90kJ/mol）。與原方案相比，新方案的優(yōu)點是________（寫出2點）。答案：（1）2CO?+4H?O$\xlongequal{光/催化劑}$2CH?OH+3O?↑ΔH=2×(-49)+2×571.6=1045.2kJ/mol；太陽；化學(xué)（2）E=571.6kJ/mol/2=285.8kJ/mol=285800J/mol，λ=hc/E=6.626×10?3?×3×10?/(285800/6.02×1023)=420nm（計算過程：E=hc/λ→λ=hc/E=6.626e-34×3e8/(285800/6.02e23)=4.2×10??m=420nm）（3）Kp=(p(CH?OH)p(H?O))/(p(CO?)p3(H?))=([α/(4-2α)p][α/(4-2α)p])/([(1-α)/(4-2α)p][3(1-α)/(4-2α)p]3)=α2(4-2α)2/((1-α)?×27p2)（4）①分步反應(yīng)可規(guī)避中間產(chǎn)物抑制；②高溫有利于CO生成，低溫有利于甲醇合成，可實現(xiàn)溫度梯度利用10.材料化學(xué)與晶體結(jié)構(gòu)（20分）新型超導(dǎo)材料LaFeAsO???Fx的晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示（La：灰球，F(xiàn)e：黑球，As：白球，O/F：紅球），已知晶胞參數(shù)a=b=0.4nm，c=0.8nm。（1）該晶體的晶系為________，F(xiàn)e原子的配位數(shù)為________。（2）若x=0.5，晶胞中O原子與F原子的數(shù)目之比為________。（3）計算該晶體的密度ρ=g/cm3（列出計算式，N?=6.02×1023mol?1，La：139，F(xiàn)e：56，As：75，O：16，F(xiàn)：19）。（4）該材料的超導(dǎo)臨界溫度Tc隨x的增大先升高后降低，可能的原因是。答案：（1）四方晶系（a=b≠c）；4（Fe與周圍4個As原子形成四面體配位）（2）O:F=(1-x):x=0.5:0.5=1:1（3）晶胞中原子數(shù)：La=4，F(xiàn)e=4，As=4，O/F=4，總質(zhì)量=4×(139+56+75+16×0.5+19×0.5)=4×(270+17.5)=4×287.5=1150g/mol；體積=(0.4×10??cm)2×(0.8×10??cm)=1.28×10?22cm3；ρ=1150/(6.02×1023×1.28×10?22)=1150/(76.9)=15.08g/cm3（4）F?取代O2?導(dǎo)致Fe的價態(tài)降低，電子濃度增大，超導(dǎo)性增強；但x過大時晶格畸變加劇，破壞超導(dǎo)相干性四、創(chuàng)新應(yīng)用題（共20分）11.化學(xué)與生命科學(xué)交叉研究發(fā)現(xiàn)，某種細(xì)菌可通過“固氮酶-氫化酶”耦合系統(tǒng)將N?和H?O轉(zhuǎn)化為NH?和O?，其反應(yīng)機理如下：步驟1：N?+8H?+8e?+16ATP→2NH?+H?+16ADP+16Pi（固氮酶催化）步驟2：2H?O→2H?+O?（氫化酶催化，ΔH=+571.6kJ/mol）（1）寫出總反應(yīng)的離子方程式：。（2）若該細(xì)菌每消耗1molN?可合成2molATP，能量轉(zhuǎn)化效率為（ATP水解的ΔG=-30.5kJ/mol）。（3）設(shè)計實驗驗證步驟2中產(chǎn)生的O?來自H?O而非N?O或CO?：________。答案：（1）N?+3H?O=2NH?+3/2O?↑（2）能量轉(zhuǎn)化效率=（2mol×30.5kJ/mol）/（571.6kJ/mol×3/2）=61/857.4≈7.1%（3）用1?O標(biāo)記的H?O（H?1?O）培養(yǎng)細(xì)菌，檢測產(chǎn)生的O?是否為1?O?12.環(huán)境化學(xué)與綠色技術(shù)為處理含Cr?O?2?的酸性廢水，某團(tuán)隊開發(fā)了“雙極膜電解法”，裝置如圖所示（雙極膜可解離出H?和OH?）。（1）陽極的電極反應(yīng)式為________。（2）簡述Cr?O?2?轉(zhuǎn)化為Cr(OH)?沉淀的原理：。（3）與傳統(tǒng)“還原