2025年高中化學競賽開放性試題專項訓練（三）一、開放性試題的核心特點2025年高中化學競賽中的開放性試題呈現(xiàn)出三大顯著特征。首先是情境真實性，試題普遍以真實科研場景或工業(yè)生產(chǎn)案例為背景，例如以我國科學家開發(fā)的新型CO?加氫催化劑為素材，要求考生根據(jù)反應條件推斷中間體結(jié)構(gòu)并分析催化機理。這類題目不再局限于課本理論的直接應用，而是需要將化學原理與實際問題深度結(jié)合，體現(xiàn)了"從實驗室到生產(chǎn)線"的學科應用邏輯。其次是思維發(fā)散性，同一問題允許多種合理解決方案并存。如在設(shè)計"綠色合成苯乙酸乙酯"的實驗方案時，既可以采用傳統(tǒng)濃硫酸催化酯化反應（需控制溫度并處理廢酸），也可選擇固體酸催化劑（如分子篩）實現(xiàn)循環(huán)利用，甚至可提出微波輔助合成的創(chuàng)新思路。評分標準不再單一考察"標準答案"，而是根據(jù)方案的科學性、經(jīng)濟性和創(chuàng)新性進行梯度賦分，最高可給予方案設(shè)計分的120%獎勵。第三是跨學科融合，試題常涉及化學與材料、環(huán)境、生物等學科的交叉內(nèi)容。2025年競賽中出現(xiàn)要求分析"人工光合作用體系"中光敏材料的能帶結(jié)構(gòu)與電子轉(zhuǎn)移路徑的題目，既需要運用配合物化學中d-d躍遷理論，又需結(jié)合物理化學中的電極電勢知識，甚至涉及生物光合作用的基本原理。這種跨學科視角對考生的知識整合能力提出了更高要求。二、典型題型分類解析（一）實驗設(shè)計類試題此類題目占開放性試題總分值的35%左右，重點考察實驗方案的創(chuàng)新性與可行性。2025年競賽中出現(xiàn)的"廢電池中重金屬離子的回收工藝設(shè)計"頗具代表性，題目提供了鋅錳干電池的主要成分數(shù)據(jù)（MnO?約25%、Zn約20%、NH?Cl約10%及少量Hg2?），要求完成以下任務：設(shè)計溶解-分離-提純的完整流程，需明確各步驟的試劑選擇（如用1.0mol/LH?SO?溶解鋅皮，用濃鹽酸與MnO?反應生成Cl?需進行尾氣處理）；繪制實驗裝置圖并標注關(guān)鍵儀器參數(shù)（如減壓過濾裝置中布氏漏斗的直徑選擇）；評估方案的綠色化學指標，包括原子利用率計算（如Zn2?沉淀為ZnCO?時的理論產(chǎn)率）和能耗分析（對比直接煅燒與濕法回收的能耗差異）。在設(shè)計實驗方案時，考生需考慮以下關(guān)鍵要素：試劑選擇的科學性：如溶解Zn時不能使用硝酸，避免引入NO??雜質(zhì)；處理Hg2?需用Na?S作沉淀劑，但需控制pH值防止H?S逸出實驗裝置的安全性：Cl?尾氣需用飽和NaOH溶液吸收，裝置需設(shè)置防倒吸裝置分離方法的合理性：Zn2?與Mn2?的分離可采用調(diào)節(jié)pH沉淀法（Zn(OH)?的Ksp=3×10?1?，Mn(OH)?的Ksp=2×10?13），通過控制pH=8.0可實現(xiàn)Zn2?完全沉淀而Mn2?不沉淀綠色化學評估：需計算原子利用率，如Zn→ZnSO?→ZnCO?的原子利用率為(65.39+12.01+48.00)/(65.39+98.08+60.01)=72.5%（二）反應機理探究類試題此類題目占開放性試題總分值的25%，要求考生根據(jù)實驗現(xiàn)象或數(shù)據(jù)推導反應歷程。2025年競賽中"鄰二甲苯的臭氧分解產(chǎn)物分析"題目具有典型性，題目給出不同反應時間的產(chǎn)物分布：反應0.5小時主要生成鄰甲基苯甲醛（35%）和甲基乙二醛（28%）；反應2小時后生成鄰苯二甲酸酐（42%）和CO?（18%）。要求考生：①推斷反應中間體結(jié)構(gòu)；②繪制反應勢能面示意圖；③解釋溫度對產(chǎn)物分布的影響（25℃時醛類產(chǎn)物為主，60℃時酸酐產(chǎn)率提高）。解題關(guān)鍵在于：根據(jù)臭氧化反應的特點，推測中間體為含有過氧鍵的臭氧化物運用自由基反應機理解釋產(chǎn)物分布隨時間變化的規(guī)律結(jié)合熱力學數(shù)據(jù)（如各步反應的活化能）分析溫度影響，高溫有利于克服較高能壘的氧化步驟（三）復雜體系分析類試題這類題目占開放性試題的40%，通常以環(huán)境、能源或材料領(lǐng)域的實際問題為背景，考察考生對復雜化學體系的綜合分析能力。典型題目如"含氮廢水處理的生物硝化過程分析"，題目給出不同pH條件下各形態(tài)氮的濃度隨時間變化曲線，要求考生：（1）寫出亞硝化菌和硝化菌參與的兩步反應方程式；（2）計算25℃、pH=7.5時的表觀反應速率常數(shù)；（3）解釋pH值低于6時反應速率顯著下降的原因。解答此類問題需要：掌握生物硝化的基本原理：第一步是NH??在亞硝化菌作用下氧化為NO??，反應式為2NH??+3O?=2NO??+2H?O+4H?；第二步是NO??在硝化菌作用下氧化為NO??，反應式為2NO??+O?=2NO??運用動力學公式計算反應速率常數(shù)，如采用一級反應模型ln(c?/c)=kt分析pH影響機制：pH<6時，游離氨（NH?）濃度降低，而亞硝化菌的活性中心需要NH?作為底物，同時H?濃度過高會抑制酶的活性三、綜合訓練題及解題思路訓練題一：新型CO?加氫催化劑性能研究【題目】我國科學家開發(fā)的新型雙核Zn催化劑可高效催化CO?加氫生成甲醇，反應條件為200℃、3MPa，催化劑組成為Zn?O(CH?COO)?·2H?O。已知反應過程中檢測到HCOO?和CH?O?兩種中間體，催化劑表面存在Zn?和Zn2?兩種活性位點。（1）寫出CO?加氫生成甲醇的總反應方程式；（2）設(shè)計實驗驗證中間體HCOO?的存在；（3）基于上述信息，提出可能的催化反應機理，并畫出反應路徑示意圖；（4）對比該催化劑與傳統(tǒng)Cu/ZnO/Al?O?催化劑的優(yōu)缺點。【解題思路】（1）總反應方程式為CO?+3H?=CH?OH+H?O（2）中間體檢測方案：可采用原位紅外光譜技術(shù)，在反應過程中監(jiān)測1560-1600cm?1處是否出現(xiàn)HCOO?的特征吸收峰；或采用同位素標記法，使用13CO?進行反應，通過質(zhì)譜檢測含13C的中間體（3）催化機理推測：CO?首先在Zn2?位點吸附活化，與表面羥基反應生成HCOO?中間體；HCOO?遷移至Zn?位點加氫生成CH?O?；CH?O?進一步加氫生成CH?OH并脫附（4）催化劑對比分析：新型Zn催化劑的優(yōu)點是低溫活性高、選擇性好（甲醇產(chǎn)率>95%），缺點是穩(wěn)定性較差（連續(xù)反應50小時后活性下降30%）；傳統(tǒng)Cu基催化劑穩(wěn)定性好但需在250℃以上才有較高活性，且易發(fā)生逆水汽變換反應生成CO訓練題二：人工光合作用體系設(shè)計【題目】某研究團隊設(shè)計的人工光合作用體系由以下部分組成：光敏材料（CdS量子點）、電子中繼體（[Co(bpy)?]3?/2?）、產(chǎn)氫催化劑（Pt納米顆粒）和犧牲劑（抗壞血酸）。當用450nm光照射該體系時，可將水分解為H?和O?。（1）寫出該體系中電子轉(zhuǎn)移的完整路徑；（2）計算CdS量子點的帶隙能量（已知450nm光的能量可激發(fā)電子從價帶躍遷至導帶）；（3）設(shè)計實驗驗證電子轉(zhuǎn)移過程，至少提出兩種表征方法；（4）分析該體系的量子產(chǎn)率僅為12%的可能原因?！窘忸}思路】（1）電子轉(zhuǎn)移路徑：CdS受光激發(fā)后，價帶電子躍遷至導帶，導帶電子轉(zhuǎn)移至[Co(bpy)?]3?使其還原為[Co(bpy)?]2?，[Co(bpy)?]2?再將電子傳遞給Pt催化劑用于質(zhì)子還原產(chǎn)氫；同時CdS價帶空穴氧化犧牲劑抗壞血酸（2）帶隙能量計算：E=hc/λ=6.626×10?3?J·s×3×10?m/s/(450×10??m)=4.42×10?1?J=2.76eV（3）電子轉(zhuǎn)移驗證方法：①瞬態(tài)吸收光譜，監(jiān)測[Co(bpy)?]3?在600nm處的特征吸收峰隨時間變化；②電化學方法，測量光照射下體系的光電流響應（4）量子產(chǎn)率低的原因：光吸收不完全、電子-空穴復合、電子傳遞過程中的能量損失、催化劑表面的副反應等訓練題三：綠色合成苯乙酸乙酯的方案設(shè)計【題目】苯乙酸乙酯是一種重要的香料中間體，傳統(tǒng)合成方法采用苯乙酸和乙醇在濃硫酸催化下酯化反應。請設(shè)計至少兩種綠色合成方案，并從原子經(jīng)濟性、能耗、環(huán)境影響等方面進行對比分析?！窘忸}思路】方案一：固體酸催化酯化法催化劑選擇：分子篩（如H-ZSM-5）或離子交換樹脂反應條件：120℃，回流反應4小時優(yōu)點：催化劑可回收重復使用，無廢酸排放，原子利用率與傳統(tǒng)方法相當（約85%）缺點：反應速率較慢，需要較高溫度方案二：微波輔助酯交換法原料：苯乙酸甲酯和乙醇催化劑：堿性離子液體（如[bmim]OAc）反應條件：微波功率300W，反應時間30分鐘優(yōu)點：反應時間短，能耗低，原子利用率高（>95%）缺點：酯交換反應平衡轉(zhuǎn)化率有限，需采用過量乙醇并通過精餾移出生成的甲醇方案三：酶催化合成法催化劑：脂肪酶（如Novozym435）反應介質(zhì)：正己烷（低水體系）優(yōu)點：反應條件溫和（40℃），選擇性高，產(chǎn)品純度好缺點：酶催化劑成本高，反應速率慢，不適用于大規(guī)模生產(chǎn)對比分析表明，方案二在原子經(jīng)濟性和能耗方面具有明顯優(yōu)勢，是工業(yè)化應用前景最好的綠色合成方法，但需要解決反應平衡限制問題；方案一適合現(xiàn)有生產(chǎn)裝置的改造升級，無需大量設(shè)備投資；方案三則適用于高附加值、小批量產(chǎn)品的合成。訓練題四：Zn-Mn干電池回收工藝優(yōu)化【題目】基于提供的鋅錳干電池成分數(shù)據(jù)（MnO?約25%、Zn約20%、NH?Cl約10%及少量Hg2?），設(shè)計一套完整的回收工藝，要求：（1）采用濕法工藝分離回收Zn和Mn；（2）Hg2?的去除率達到99.9%以上；（3）工藝中不得使用有毒試劑；（4）對兩種不同的Zn2?沉淀劑（Na?CO?和(NH?)?CO?）進行對比分析?！窘忸}思路】完整工藝流程設(shè)計：預處理：拆解電池，分離外殼（鐵或塑料）與內(nèi)芯溶解：用1.0mol/LH?SO?溶解鋅皮：Zn+H?SO?=ZnSO?+H?↑用0.5mol/LH?SO?和3%H?O?混合溶液溶解MnO?：MnO?+H?O?+H?SO?=MnSO?+O?↑+2H?O重金屬去除：調(diào)節(jié)pH=9.0，加入過量Na?S，使Hg2?沉淀為HgS（Ksp=4×10??3），同時生成少量ZnS沉淀分離Mn2?和Zn2?：方法一：分步沉淀，先調(diào)節(jié)pH=5.5沉淀Mn2?為Mn(OH)?，再調(diào)節(jié)pH=8.0沉淀Zn2?方法二：溶劑萃取，使用二(2-乙基己基)磷酸（D2EHPA）在pH=3.5時萃取Zn2?，Mn2?留在水相提純：Zn2?溶液可選用Na?CO?或(NH?)?CO?作為沉淀劑：Na?CO?沉淀：ZnSO?+Na?CO?=ZnCO?↓+Na?SO?，優(yōu)點是沉淀顆粒大易過濾，缺點是引入Na?雜質(zhì)(NH?)?CO?沉淀：ZnSO?+(NH?)?CO?=ZnCO?↓+(NH?)?SO?，優(yōu)點是(NH?)?SO?可作為肥料利用，缺點是過量(NH?)?CO?易使ZnCO?轉(zhuǎn)化為可溶性配合物產(chǎn)品轉(zhuǎn)化：將ZnCO?煅燒生成ZnO（用于制備新電池材料），Mn(OH)?煅燒生成MnO?工藝評估：原子利用率：Zn的理論回收率可達92%以上，Mn的理論回收率可達85%以上綠色化學指標：采用水相工藝避免有機溶劑使用，所有試劑均可回收或無害化處理經(jīng)濟性分析：(NH?)?CO?沉淀劑成本高于Na?CO?，但副產(chǎn)品(