2025年高一上学期化学“地球科学与化学”科普测试

2025年高一上学期化学“地球科学与化学”科普测试一、地球圈层中的化学循环地球作为一个动态系统，其岩石圈、水圈、大气圈和生物圈通过化学元素的迁移与转化实现物质循环。以碳元素为例，大气中的CO₂通过光合作用进入生物圈形成有机碳，动植物遗体经沉积作用转化为煤、石油等化石燃料，而人类活动引发的化石燃料燃烧则将碳重新释放到大气中，这一过程涉及氧化还原反应（C+O₂=CO₂）和物质的量计算（1mol碳完全燃烧生成22.4LCO₂，标准状况下）。岩石圈的化学循环体现在矿物的形成与风化。例如，长石（KAlSi₃O₈）在水和CO₂作用下发生水解反应：2KAlSi₃O₈+2H₂CO₃+9H₂O=2K⁺+2HCO₃⁻+4H₄SiO₄+Al₂(Si₂O₅)(OH)₄，生成黏土矿物和可溶性钾盐，这一过程不仅改变地表形态，还为土壤提供植物所需的钾元素。水圈的化学平衡则依赖于溶解与沉淀反应。海洋中Ca²⁺与HCO₃⁻结合生成CaCO₃（珊瑚礁的主要成分），其溶度积常数Ksp=[Ca²⁺][CO₃²⁻]决定了碳酸钙的沉积速率。当大气CO₂浓度升高导致海水酸化（H⁺+CO₃²⁻=HCO₃⁻）时，CO₃²⁻浓度下降，珊瑚礁溶解加剧，体现了化学平衡移动原理在全球变化中的应用。二、自然资源开发中的化学原理（一）矿产资源的提取与转化铝土矿（主要成分为Al₂O₃·nH₂O）通过碱溶法制备金属铝：Al₂O₃+2NaOH=2NaAlO₂+H₂O，再经酸化析出Al(OH)₃沉淀，灼烧后得到Al₂O₃，最后通过电解熔融Al₂O₃（加入冰晶石Na₃AlF₆降低熔点）获得铝单质。这一过程涉及两性氧化物性质（Al₂O₃与酸碱均能反应）和电解原理（2Al₂O₃(熔融)=4Al+3O₂↑，阴极反应：Al³⁺+3e⁻=Al）。（二）能源化学与可持续发展传统化石能源面临碳排放挑战，而氢能源的开发依赖水的电解或光解。电解水反应（2H₂O=2H₂↑+O₂↑）中，每生成1molH₂转移2mol电子，若用光伏电池提供电能（能量转化率约20%），则分解18g水需吸收285.8kJ能量（ΔH=+285.8kJ/mol）。核能作为清洁能源，其核心是核裂变反应。铀-235吸收中子后裂变为Ba-141和Kr-92：²³⁵U+¹n=¹⁴¹Ba+⁹²Kr+3¹n，释放的能量通过蒸汽轮机转化为电能。核废料处理则需利用化学沉淀法（如用Fe(OH)₃吸附放射性离子）和离子交换树脂分离放射性同位素。三、环境问题的化学解决方案（一）大气污染治理酸雨的形成源于SO₂和NOx的氧化：SO₂+H₂O⇌H₂SO₃，2H₂SO₃+O₂=2H₂SO₄（催化剂为飘尘中的Fe³⁺）。脱硫技术中，石灰石-石膏法利用CaCO₃+SO₂=CaSO₃+CO₂，进一步氧化得到CaSO₄·2H₂O（石膏），实现硫元素的固定。（二）水污染控制重金属污染治理常采用沉淀法和氧化还原法。例如，处理含Cr³⁺废水时，加入NaOH调节pH至8~9，生成Cr(OH)₃沉淀（Ksp=6.3×10⁻³¹）；含Cr₂O₇²⁻的酸性废水则需先还原：Cr₂O₇²⁻+6Fe²⁺+14H⁺=2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O，再沉淀去除。（三）土壤修复技术针对土壤重金属污染，可通过施加磷酸盐（如Ca₃(PO₄)₂）使Pb²⁺转化为稳定的Pb₃(PO₄)₂（Ksp=8.0×10⁻⁴³）；有机污染土壤则利用微生物降解，如甲烷菌将石油烃分解为CO₂和H₂O，涉及酶催化的氧化还原反应。四、“化学地球”计划与全球协作“化学地球”国际大科学计划通过建立覆盖全球的地球化学基准网，系统测定76种元素在岩石、土壤、水和大气中的分布。例如，中国东部农田土壤硒含量基准值为0.28mg/kg，富硒土壤（>0.4mg/kg）可开发为特色农产品基地；而重金属镉的基准值为0.09mg/kg，超过此值的区域需实施修复措施。该计划建立的大数据平台整合了X射线荧光光谱（XRF）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）等检测数据，为资源勘探和环境管理提供决策支持。例如，通过分析土壤中稀土元素（如La、Ce）的配分模式，可追溯沉积物来源，为古环境重建提供化学证据。五、实验探究与数据分析（一）土壤pH值测定与改良用pH计测定不同区域土壤pH值：取土样5g加25mL蒸馏水，搅拌后静置，将电极插入上清液读取数据。若pH<5.5（酸性土壤），可施加CaCO₃调节，反应原理为CaCO₃+2H⁺=Ca²⁺+CO₂↑+H₂O，通过计算H⁺物质的量确定改良剂用量。（二）水中溶解氧的测定采用碘量法：在水样中加入MnSO₄和碱性KI溶液，生成Mn(OH)₂沉淀，与O₂反应生成MnO(OH)₂，再加入H₂SO₄酸化，MnO(OH)₂将I⁻氧化为I₂，用Na₂S₂O₃标准溶液滴定（I₂+2S₂O₃²⁻=2I⁻+S₄O₆²⁻），根据消耗的Na₂S₂O₃浓度计算溶解氧含量。（三）数据分析案例某湖泊水样中c(Ca²⁺)=0.01mol/L，c(Mg²⁺)=0.005mol/L，计算总硬度（以CaCO₃计）：总硬度=（0.01+0.005）mol/L×100g/mol=1.5g/L，超过《生活饮用水卫生标准》（1.0g/L），需通过离子交换法（用NaR树脂交换Ca²⁺、Mg²⁺）软化处理。六、化学与人类活动的相互影响（一）碳排放与碳中和化石燃料燃烧释放的CO₂可通过化学吸收法处理，如用氨水吸收：NH₃·H₂O+CO₂=NH₄HCO₃，加热分解得到CO₂用于合成尿素（CO(NH₂)₂），实现碳循环利用。植物光合作用的化学方程式6CO₂+6H₂O=C₆H₁₂O₆+6O₂，则是自然界最有效的固碳过程。（二）新型材料的环境效益可降解塑料（如聚乳酸）的水解反应：(C₃H₄O₂)n+nH₂O→nC₃H₆O₃，产物乳酸可被微生物分解为CO₂和H₂O，解决传统塑料的白色污染问题。而锂离子电池正极材料LiFePO₄的充放电反应：LiFePO₄⇌Li₁₋ₓFePO₄+xLi⁺+xe⁻，则推动了可再生能源的储能技术发展。七、综合应用题资源提取计算：从1000吨含Fe₂O₃80%的赤铁矿中提炼铁，若反应Fe₂O₃+3CO=2Fe+3CO₂的转化率为90%，可得到多少吨铁？（Fe₂O₃摩尔质量160g/mol，Fe56g/mol）解：m(Fe₂O₃)=1000t×80%=800t，n(Fe₂O₃)=800×10⁶g/160g/mol=5×10⁶mol，生成Fe的物质的量=5×10⁶mol×2×90%=9×10⁶mol，m(Fe)=9×10⁶mol×56g/mol=504t。环境监测分析：某工厂排放废水中Cr₂O₇²⁻浓度为0.01mol/L，处理1000m³废水需加入多少千克FeSO₄·7H₂O？（反应：Cr₂O₇²⁻+6Fe²⁺+14H⁺=2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O，FeSO₄·7H₂O摩尔质量278g/mol）解：n(Cr₂O₇²⁻)=0.01mol/L×1000×10³L=1×10⁴mol，n(Fe²⁺)=6×10⁴mol，m(FeSO₄·7H₂O)=6×10⁴mol×278g/mol=1.668×10⁷g=16680kg。化学平衡应用：在密闭容器中发生反应CO₂(g)+H₂O(l)⇌H₂CO₃(aq)，若通入CO₂气体使压强增大，平衡向正反应方向移动，H