2025年高中化学知识竞赛未来导向的化学问题测试（三）

2025年高中化学知识竞赛未来导向的化学问题测试（三）一、能源化学：储氢材料的结构设计与性能优化氢能作为零碳能源载体，其存储技术是制约氢能经济发展的关键瓶颈。某新型储氢材料由金属锂与氨硼烷（NH₃BH₃）复合而成，在25℃、101kPa条件下表现出优异的储氢性能。1-1氨硼烷分子中B原子的杂化方式为____，分子内存在的化学键类型有____（填标号）。A.极性共价键B.非极性共价键C.配位键D.氢键1-2该复合材料的储氢机理涉及两步反应：（1）Li+NH₃BH₃→LiNH₂BH₃+½H₂↑（2）LiNH₂BH₃→LiNBH+2H₂↑计算2.8g金属锂完全反应后释放的氢气在标准状况下的体积____。若反应（2）的ΔH=+105kJ/mol，ΔS=+300J/(mol·K)，该反应能自发进行的最低温度为____℃（保留整数）。1-3实验测得该材料的储氢密度为5.8wt%（质量分数），高于美国能源部提出的5.5wt%目标值。已知储氢密度计算公式为：储氢密度=（释放H₂质量/储氢材料总质量）×100%某研究团队通过球磨工艺将材料颗粒尺寸从10μm减小至200nm，储氢动力学性能显著提升，其原因是____。二、材料化学：普鲁士蓝类似物的电化学性能普鲁士蓝（Fe₄[Fe(CN)₆]₃）及其类似物（PBAs）因开放的三维框架结构，在钠离子电池电极材料领域备受关注。一种铜基PBAs的晶胞结构如图所示（晶胞参数a=1.02nm），其中[Cu(CN)₆]⁴⁻八面体与[Fe(CN)₆]³⁻八面体通过氰根离子桥连。2-1写出该铜基PBAs的化学式____，Cu²⁺的配位数为____。2-2计算晶体中最近两个Fe³⁺之间的距离____nm（保留三位有效数字）。若该晶体的密度为2.1g/cm³，阿伏加德罗常数Nₐ的值为____（列出计算式即可）。2-3该材料作为钠离子电池正极时，充电过程中发生的电极反应式为：NaₓM[Fe(CN)₆]→Naₓ₋ᵧM[Fe(CN)₆]+yNa⁺+ye⁻（M为Cu²⁺/Fe³⁺）当充电至电压4.2V时，材料颜色由蓝色变为淡黄色，结合电子跃迁原理解释颜色变化：____。三、环境化学：砷污染的治理技术含砷废水的处理是环境保护领域的重要课题。某研究采用零价铁（ZVI）协同厌氧微生物处理高浓度As(Ⅲ)废水，其反应机理如下：3-1酸性条件下，ZVI与As(Ⅲ)发生氧化还原反应，生成Fe²⁺和AsH₃气体。写出该反应的离子方程式____。已知AsH₃的还原性强于PH₃，从原子结构角度解释原因：。3-2微生物通过代谢产生的硫化氢可与As³⁺形成As₂S₃沉淀，Ksp(As₂S₃)=2.1×10⁻⁴⁵。当溶液中c(S²⁻)=1.0×10⁻¹⁸mol/L时，c(As³⁺)=mol/L。若向体系中加入FeCl₂溶液，可显著降低溶液中As的浓度，原因是。3-3X射线光电子能谱（XPS）分析显示，处理后固体产物表面存在As⁰、As(Ⅲ)和As(V)三种价态。其中As(V)的形成可能涉及的反应过程为（用化学方程式表示）：（1）（2）____四、有机化学：新型光电材料的合成某课题组设计合成了一种含芴基的共轭聚合物（PFTBT），其结构片段如下：4-1写出化合物A（C₁₃H₁₀O）的结构简式____，反应①的反应类型为____。4-2化合物B与苯硼酸发生Suzuki偶联反应生成C，写出该反应的化学方程式____。已知B的核磁共振氢谱有三组峰，峰面积比为2:2:3，B的结构简式为____。4-3聚合物PFTBT的合成涉及自由基聚合反应，引发剂为AIBN（偶氮二异丁腈）。写出AIBN分解产生自由基的反应式____，并指出链增长过程中形成的活性中心类型____。4-4该聚合物的光物理性质研究表明，其最大吸收波长为452nm，计算该吸收对应的能量E=____kJ/mol（普朗克常数h=6.626×10⁻³⁴J·s，光速c=3.0×10⁸m/s，Nₐ=6.02×10²³mol⁻¹）。五、分析化学：碘量法测定废水中的硫化物工业废水中硫化物的测定常采用碘量法，实验步骤如下：①取100mL水样，加入乙酸锌溶液生成ZnS沉淀，过滤洗涤后用250mL碘量瓶承接；②加入10.00mL0.01000mol/LI₂标准溶液及适量盐酸，避光反应10min；③用0.01500mol/LNa₂S₂O₃标准溶液滴定至浅黄色，加入淀粉指示剂，继续滴定至蓝色褪去，消耗Na₂S₂O₃溶液12.00mL。5-1写出步骤②中发生反应的离子方程式____。若反应时溶液pH过高，会导致测定结果____（填“偏高”“偏低”或“无影响”）。5-2计算水样中硫化物的含量（以S²⁻计，mg/L）。实验中若未对ZnS沉淀进行洗涤，会导致测定结果（填“偏高”“偏低”或“无影响”）。5-3已知酸性条件下I₂可氧化S₂O₃²⁻生成SO₄²⁻，写出该反应的离子方程式____。若步骤②中I₂过量太多，对测定结果的影响是____（用必要的文字说明）。六、结构化学：氙化合物的成键特征氙作为稀有气体元素，其化合物的合成打破了“惰性气体不活泼”的传统认知。XeOF₄是一种重要的氙氧化物，在有机合成中可用作氧化剂。6-1写出Xe原子的价电子排布式____，XeOF₄分子的空间构型为____。6-2计算XeOF₄中Xe的氧化数____，分子中σ键与π键的数目比为____。6-3XeOF₄晶体属于四方晶系，晶胞中Xe原子的分数坐标为（0,0,0）、（0.5,0.5,0.5），则该晶胞的类型为____（填“简单四方”“体心四方”或“面心四方”）。若晶胞参数a=b=602pm，c=979pm，晶体密度为4.0g/cm³，一个晶胞中含有的XeOF₄分子数为____（保留整数）。七、无机化学：多氮化合物的合成与性质多氮化合物因高生成焓和良好的环境相容性，有望替代传统含能材料。近年来，全氮阴离子N₅⁻的合成取得突破性进展。7-1写出N₅⁻的路易斯结构式（标出形式电荷），其空间构型为。7-2室温下，N₅⁻与N₂H₅⁺形成的盐（N₂H₅N₅）发生分解反应：2N₂H₅N₅(s)→5N₂(g)+5H₂(g)已知该反应的ΔH=-900kJ/mol，1.00gN₂H₅N₅分解时释放的气体在标准状况下的体积为____L（保留两位小数）。7-3金属钠与N₅⁻盐反应可制备N₅⁻的钠盐。某实验小组将0.500gN₅⁻盐（M=184g/mol）溶于液氨，缓慢加入过量钠丝，收集到0.112L（标准状况）气体，写出该反应的化学方程式____。八、物理化学：纳米催化剂的反应动力学金纳米颗粒（AuNPs）催化CO氧化反应的动力学研究显示，其反应机理如下：（1）O₂(g)+*→O₂*（快速平衡，吸附平衡常数K₁）（2）CO(g)+*→CO*（快速平衡，吸附平衡常数K₂）（3）O₂*+CO*→OCOO*+*（决速步，速率常数k₃）（4）OCOO*→CO₂(g)+O*（快速）（5）CO*+O*→CO₂(g)+2*（快速）其中*表示催化剂表面活性位点。8-1写出该反应的总化学方程式____，指出反应的催化剂和中间产物分别是____。8-2基于上述机理，推导反应速率方程v=（用k₃、K₁、K₂、p(CO)、p(O₂)表示，假设表面覆盖率θ≪1）。8-3实验测得在200℃时，反应速率常数k₃=2.0×10⁻⁴mol/(g·s)，当p(CO)=0.1atm，p(O₂)=0.2atm时，反应速率v=4.0×10⁻⁶mol/(g·s)。计算K₁·K₂的值（atm⁻²）。若升高温度，K₁和K₂的值将____（填“增大”“减小”或“不变”）。九、高分子化学：可降解聚酯的合成聚乳酸（PLA）是一种生物可降解高分子材料，其合成路线如下：9-1写出化合物D的结构简式____，反应②的反应条件为____。9-2乳酸（CH₃CHOHCOOH）在浓硫酸催化下发生缩聚反应生成低聚物，写出该反应的化学方程式（以二聚体为例）。9-3工业上采用丙交酯开环聚合制备高分子量PLA，催化剂为辛酸亚锡。写出该聚合反应的机理式，并指出该聚合反应的类型____。9-4已知PLA的数均分子量为8.4×10⁴，计算其平均聚合度____（乳酸的结构单元分子量为72）。若该聚合物的分散度为1.5，其重均分子量为____。十、配位化学：金属卟啉配合物的催化作用金属卟啉配合物在仿生催化领域具有重要应用，其中铁卟啉（FeP）可模拟细胞色素P450酶催化烷烃羟基化反应。10-1FeP中Fe²⁺的电子构型为____，该配合物的配位原子是____（填元素符号）。10-2催化循环中，FeP与O₂结合形成Fe(Ⅲ)-O-O-H中间体，其中O-O键的键能为146kJ/mol，对比O₂分子的键能（498kJ/mol），解释键能差异的原因____。10-3以环己烷羟基化反应为例，写出FeP催化的反应方程式____。若反应的转化率为35%，选择性为92%，10.0g环己烷可得到环己醇____g（保留两位小数）。10-4该催化反应的动力学研究表明，其反应速率方程为v=k[FeP][环己烷][O₂]⁰.⁵，该反应对O₂的反应级数为____，当O₂的分压增大一倍时，反应速率变为原来的____倍。十一、核化学：放射性同位素的应用锝-99m（⁹⁹ᵐTc）是医学影像诊断中常用的放射性同位素，其半衰期为6.02小时，通过⁹⁹Mo-⁹⁹ᵐTc发生器制备。11-1写出⁹⁹ᵐTc发生γ衰变的核反应方程式____，1.00mg⁹⁹ᵐTc经过24.08小时后剩余的质量为____mg。11-2⁹⁹ᵐTc标记的甲氧基异丁基异腈（MIBI）可用于心肌灌注显像。MIBI的结构中含有配位原子____，与Tc形成配合物时提供____。11-3计算⁹⁹ᵐTc的平均寿命τ=____小时（τ=1/λ，λ为衰变常数），若某医院每天需要1.5GBq的⁹⁹ᵐTc，发生器的初始活度应为____GBq（保留一位小数）。十二、计算化学：分子模拟在药物设计中的应用某研究团队采用密度泛函理论（DFT）计算了药物分子与靶蛋白的相互作用能，结果如下表所示：药物分子氢键作用能（kJ/mol）范德华作用能（kJ/mol）静电作用能（kJ/mol）总结合能（kJ/mol）A-35.2-68.5-22.3-126.0B-42.1-59.8-18.7-120.6C-28.9-75.3-26.5-130.712-1计算药物分子A的氢键作用能占总结合能的百分比____，该结果表明____（填“氢键”“范德华作用”或“静电作用”）是影响结合能的主要因素。12-2已知结合自由能ΔG=ΔH-TΔS，若药物分子C