2025年高中化学知识竞赛“化学改变世界”征文大赛试题（一）

2025年高中化学知识竞赛“化学改变世界”征文大赛试题（一）一、选择题（共20分）（一）单项选择题（每题2分）2025年诺贝尔化学奖授予金属有机框架（MOFs）材料的开发者，这种材料由金属离子与有机分子通过配位键构建三维晶体结构。下列关于MOFs的说法错误的是（）A.属于配位化合物范畴，金属离子为中心原子B.框架内部的空腔可用于气体吸附与分离C.合成过程需控制金属离子与配体的比例以形成稳定结构D.因含金属元素，该材料属于新型无机非金属材料绿色化学是化学工业可持续发展的核心原则。下列化工生产实践不符合原子经济性要求的是（）A.采用单原子催化技术将CO₂转化为甲醇B.用乙烯直接氧化制备环氧乙烷（原子利用率100%）C.通过中和反应处理含酸废水后排放D.利用MOFs材料从空气中捕获CO₂并资源化利用某MOFs材料由Zn²⁺与对苯二甲酸（C₈H₆O₄）构建，其晶胞参数为a=2.5nm。下列说法正确的是（）A.该材料的化学式可表示为ZnC₈H₆O₄B.晶胞中Zn²⁺与配体的配位数取决于有机配体的结构C.材料的孔径大小与对苯二甲酸分子的长度无关D.升温会增强材料对CO₂的吸附能力下列关于化学与能源的说法错误的是（）A.MOFs材料可用于储氢，其储氢原理与金属氢化物不同B.单原子催化剂能降低电解水的活化能，提高氢能转化效率C.锂离子电池的能量密度高于铅酸电池，是因为Li⁺的摩尔质量更小D.利用人工光合作用将CO₂转化为燃料，符合“碳中和”理念下列实验方案能达到实验目的的是（）|实验目的|实验方案||------------------------|-----------------------------------||验证MOFs材料的吸附性|将MOFs粉末加入溴水中，观察褪色速率||比较C与Si的非金属性|测定相同浓度的H₂CO₃与H₂SiO₃的pH||检验Fe³⁺与MOFs的配位作用|向FeCl₃溶液中加入MOFs，检测溶液电导率变化||证明甲烷与MOFs的吸附为物理变化|测定吸附前后MOFs的红外光谱|（二）双项选择题（每题4分）金属有机框架材料在柔性电子器件中展现应用潜力。某MOFs材料在吸附N₂时发生晶胞膨胀，导致材料颜色由无色变为蓝色。下列说法正确的是（）A.该过程涉及配位键的断裂与重建B.颜色变化说明材料对可见光的吸收波长发生改变C.N₂的吸附量与MOFs的比表面积正相关D.晶胞膨胀是由于N₂分子间的范德华力作用工业上利用MOFs催化CO₂与环氧丙烷反应制备碳酸丙烯酯（C₄H₆O₃），其反应原理如下：（注：此处实际应插入反应式，因格式限制用文字描述：CO₂+C₃H₆O→C₄H₆O₃）下列说法正确的是（）A.该反应原子利用率为100%B.MOFs的作用是降低反应的焓变C.产物分子中含有酯基和羟基两种官能团D.该反应可用于减少工业尾气中的CO₂排放二、非选择题（共80分）（一）化学原理综合题（20分）2025年诺贝尔化学奖得主亚吉教授提出“reticularchemistry”（网状化学）概念，强调通过分子设计构建具有特定功能的框架材料。（1）MOFs材料中金属离子与有机配体通过_______键结合，该化学键的本质是_______。（2）某MOFs材料的晶胞结构如图所示（金属离子为Zr⁴⁺，配体为均苯三甲酸C₉H₆O₆）：①计算该晶胞中Zr⁴⁺的配位数_______；②若晶胞边长为anm，计算该材料的理论密度ρ=g/cm³（用含a、Nₐ的代数式表示）。（3）MOFs材料的稳定性与其金属离子的价电子构型相关。解释为何Zr⁴⁺（电子排布[Kr]4d⁰5s⁰）构建的MOFs比Cu²⁺（[Ar]3d⁹）更稳定：。（二）工业流程题（25分）以MOFs为核心的碳捕获技术是实现“双碳”目标的关键。某团队设计的工业化流程如下：步骤1：原料气（含CO₂15%、N₂85%）进入MOFs吸附塔，在30℃、0.5MPa下选择性吸附CO₂；步骤2：吸附饱和的MOFs通过升温至120℃解吸CO₂，得到纯度99.9%的CO₂气体；步骤3：解吸后的MOFs经降温再生，循环使用。（1）写出MOFs吸附CO₂的平衡常数表达式K=（吸附量用n(CO₂)/n(MOFs)表示）；（2）解释步骤2中升温有利于解吸CO₂的原因：；（3）工业上常用胺法吸收CO₂，但MOFs法更具优势，列举两点：、；（4）若处理1000m³（标准状况）原料气，理论上可获得液态CO₂_______kg（CO₂密度1.1g/cm³）。（三）实验探究题（35分）某研究小组拟制备Cu基MOFs材料并探究其对甲醛（HCHO）的催化氧化性能。实验一：MOFs的制备称取Cu(NO₃)₂·3H₂O1.21g与对苯二甲酸0.83g，加入20mLN,N-二甲基甲酰胺（DMF），在120℃下反应12小时，得到蓝色晶体。（1）计算理论上生成MOFs的质量_______g（假设反应物完全转化）；（2）该反应需在聚四氟乙烯反应釜中进行，原因是_______。实验二：催化性能测试将MOFs材料负载在蜂窝陶瓷上，构建微型反应装置。通入含HCHO100ppm的空气，测定不同温度下的甲醛转化率：|温度/℃|200|250|300|350||--------|-----|-----|-----|-----||转化率|15%|42%|89%|98%|（3）绘制甲醛转化率随温度变化的曲线图；（4）解释温度升高转化率提高的原因：①_______；②_______；（5）当温度超过400℃时，转化率反而下降，推测可能原因：_______。实验三：材料表征采用X射线光电子能谱（XPS）分析反应前后的MOFs：|元素|反应前结合能/eV|反应后结合能/eV||------|-----------------|-----------------||Cu2p|934.5|932.8|（6）结合能降低表明Cu元素的价态_______（填“升高”或“降低”），从氧化还原角度分析MOFs在反应中的作用：_______。三、开放性论述题（40分）结合2025年诺贝尔化学奖成果，论述“化学创造新空间”的科学内涵。要求：（1）从分子设计、材料功能、产业应用三个维度展开；（2）至少引用一个MOFs在能源或环境领域的具体案例；（3）体现化学学科对解决全球挑战的贡献。（注：全卷共四大题11小题，满分150分，考试时间150分钟）说明：试