2025年高一上学期化学新情境问题测试

2025年高一上学期化学新情境问题测试一、实验化学与计量在新能源材料制备中的应用情境一：钠离子电池正极材料的实验室合成随着全球能源转型加速，钠离子电池作为低成本储能技术备受关注。某研究团队采用溶胶-凝胶法制备钠锰氧化物（NaMnO₂）电极材料，实验步骤如下：称取2.07gNaNO₃（摩尔质量85g/mol）和5.21gMn(NO₃)₂·4H₂O（摩尔质量251g/mol），溶解于50mL去离子水中；加入柠檬酸作为螯合剂，调节pH至5.5，搅拌形成溶胶；80℃水浴蒸发得凝胶，120℃烘干后在空气气氛中600℃煅烧6小时。问题组（1）计算原料中Na⁺与Mn²⁺的物质的量之比，并判断是否符合NaMnO₂的化学式组成。（2）步骤2中若改用盐酸调节pH，会导致最终产物中混入何种杂质？用离子方程式解释原因。（3）煅烧过程中，Mn²⁺会被空气中的O₂氧化为Mn³⁺，写出该反应的化学方程式。若煅烧后称重得3.20g固体，计算产率（保留两位小数）。解析要点：本题融合物质的量计算（必修一第一章）与氧化还原反应（第二章），需注意硝酸根在高温下可能参与氧化反应，以及盐酸中Cl⁻的还原性对产物纯度的影响。产率计算需先通过极值法判断过量反应物，再根据化学式中Na与Mn的固定比例计算理论产量。二、物质分类与离子反应在环境治理中的实践情境二：工业废水的协同处理工艺某化工厂排放的废水中含Cr₂O₇²⁻（0.01mol/L）和Cu²⁺（0.02mol/L），采用“还原沉淀法”联合处理流程如下：调节池：加入稀硫酸控制pH=2还原池：通入SO₂气体，Cr₂O₇²⁻被还原为Cr³⁺沉淀池：加入石灰乳调节pH至8.5，生成Cr(OH)₃和Cu(OH)₂沉淀问题组（1）按分散质粒子直径大小，废水属于______（填“溶液”“胶体”或“浊液”）。写出还原池中Cr₂O₇²⁻与SO₂反应的离子方程式（提示：酸性条件下SO₂被氧化为SO₄²⁻）。（2）取沉淀池上层清液20mL，加入足量稀硝酸酸化的AgNO₃溶液，生成0.4305g白色沉淀。若忽略溶液体积变化，计算清液中Cl⁻的物质的量浓度（已知AgCl摩尔质量143.5g/mol）。（3）实验发现，当pH>9时，Cr(OH)₃沉淀会部分溶解生成[Cr(OH)₄]⁻。结合平衡移动原理分析，若沉淀池pH控制过高，可能导致的环境风险是什么？解析要点：本题考查物质分类（第二章第一节）、离子反应方程式书写（第二章第二节）及溶度积计算。需注意Cr₂O₇²⁻的强氧化性在酸性条件下才能充分体现，且AgCl沉淀需排除SO₄²⁻的干扰（可通过先加Ba(NO₃)₂预处理实现）。三、氧化还原反应与金属化合物在航空材料中的应用情境三：钛合金表面钝化膜的形成与防护TC4钛合金（含Ti、Al、V）因高强度被用于航空发动机叶片，其抗腐蚀性能源于表面形成的TiO₂钝化膜。工业上采用阳极氧化法增厚钝化膜，原理为：以钛合金为阳极，石墨为阴极，在稀硫酸电解液中通电后，阳极生成TiO₂，同时有O₂析出。问题组（1）写出阳极区Ti被氧化为TiO₂的电极反应式（提示：电解液呈酸性，产物中含H⁺）。（2）取10.0gTC4合金样品，加入足量10%NaOH溶液，Al发生反应：2Al+2OH⁻+6H₂O=2[Al(OH)₄]⁻+3H₂↑，收集到0.672L（标准状况）气体。计算样品中Al的质量分数（保留一位小数）。（3）将上述反应后的溶液过滤，滤渣中加入稀硝酸，V发生类似Al的钝化现象，而Ti反应生成Ti³⁺。设计实验验证滤液中含Ti³⁺（限用试剂：KSCN溶液、H₂O₂溶液、稀硫酸）。解析要点：本题综合金属化学性质（第三章第一节）与氧化还原反应规律，电极反应式需结合电解质环境配平，Ti³⁺的检验利用其还原性（可被H₂O₂氧化为Ti⁴⁺，但需注意Fe³⁺的干扰排除）。四、非金属化合物与资源循环在碳中和技术中的应用情境四：CO₂矿化固定与碳酸钙制备为实现“双碳”目标，某团队开发利用serpentine（蛇纹石，主要成分为Mg₃Si₂O₅(OH)₄）矿化CO₂的工艺：酸浸：蛇纹石与6mol/LHCl反应，生成MgCl₂、SiO₂沉淀和H₂O净化：过滤后向滤液中加入NH₃·H₂O，调节pH至9，沉淀除去Fe³⁺等杂质碳化：向净化液中通入CO₂，生成MgCO₃沉淀问题组（1）写出酸浸时Mg₃Si₂O₅(OH)₄与HCl反应的化学方程式。若处理1kg蛇纹石（纯度80%），理论上需消耗HCl的体积（忽略挥发损失）。（2）净化步骤中，若pH=9时溶液中c(Mg²⁺)=0.1mol/L，计算Mg(OH)₂的溶度积Ksp（已知该条件下c(OH⁻)=1×10⁻⁵mol/L）。（3）碳化过程中，先通入过量NH₃再通CO₂可提高MgCO₃产率，结合平衡原理解释原因。解析要点：本题涉及硅及其化合物性质（第四章第一节）、离子反应限度（第二章）及化学平衡移动原理。酸浸反应需注意硅酸盐与酸反应生成硅酸沉淀（实际以SiO₂·nH₂O形式存在），Ksp计算需根据Mg(OH)₂的溶解平衡式c(Mg²⁺)·c²(OH⁻)进行。五、综合实验探究与创新设计情境五：从废旧锂电池正极材料中回收锂和钴某实验小组设计如下流程回收LiCoO₂中的Li⁺和Co²⁺：拆解电池，分离正极片，粉碎后用5mol/LH₂SO₄和30%H₂O₂混合液浸出（LiCoO₂溶解生成Li⁺、Co²⁺和O₂）向浸出液中加入NaOH溶液，调节pH至10，过滤得LiOH溶液滤渣用盐酸溶解后，加入(NH₄)₂C₂O₄生成CoC₂O₄·2H₂O沉淀问题组（1）写出浸出反应的化学方程式，标出电子转移方向和数目（用单线桥法）。（2）步骤2中，若pH=10时c(Li⁺)=0.1mol/L，计算LiOH的Ksp（已知c(OH⁻)=1×10⁻⁴mol/L）。（3）设计实验验证CoC₂O₄·2H₂O沉淀是否洗涤干净（简述操作、现象和结论）。（4）文献表明，浸出温度超过80℃时Co²⁺的浸出率下降，可能原因是什么？解析要点：本题全面覆盖实验设计（第一章）、氧化还原（第二章）、金属化合物性质（第三章）等核心内容。H₂O₂在酸性条件下既作还原剂（还原Co³⁺）又可能受热分解，洗涤干净的判断需检验滤液中是否含SO₄²⁻（用BaCl₂溶液）。六、物质结构与元素周期律在新材料研发中的应用情境六：二维卤化物钙钛矿的元素替代钙钛矿材料CsPbI₃因高光电转化效率被用于太阳能电池，但铅的毒性限制其应用。研究发现，用Sn²⁺部分替代Pb²⁺可降低毒性，同时保持晶体结构稳定性。问题组（1）写出Sn在元素周期表中的位置（周期/族），比较Sn²⁺与Pb²⁺的离子半径大小并解释原因。（2）CsPb₁₋ₓSnₓI₃中，Sn的化合价为______，若x=0.2，则1mol该物质中含有的电子总数为______（用含阿伏伽德罗常数Nₐ的代数式表示，Cs：55号，Pb：82号，Sn：50号，I：53号）。（3）实验发现，Sn²⁺易被氧化为Sn⁴⁺，导致材料性能下降。从原子结构角度解释Sn²⁺还原性强于Pb²⁺的原因。解析要点：本题衔接必修一第四章物质结构内容，离子半径比较需考虑电子层数和核电荷数，还原性差异可结合“惰性电子对效应”解释（Pb的6s²电子更难失去）。七、化学计量与工业流程的综合计算情境七：硫酸法钛白生产中的转化率分析钛白（TiO₂）是重要的白色颜料，工业上用钛铁矿（主要成分为FeTiO₃）制备：酸溶：FeTiO₃+3H₂SO₄=Ti(SO₄)₂+FeSO₄+3H₂O水解：Ti(SO₄)₂+3H₂O=H₂TiO₃↓+2H₂SO₄煅烧：H₂TiO₃=TiO₂+H₂O问题组（1）若处理含FeTiO₃80%的钛铁矿100kg，理论上可生成TiO₂的质量（Ti相对原子质量48）。（2）实际生产中，水解步骤Ti的转化率为95%，煅烧步骤损失2%的H₂TiO₃。计算100kg钛铁矿最终得到TiO₂的质量。（3）若酸溶时加入过量20%的H₂SO₄（浓度98%，密度1.84g/cm³），计算所需硫酸的体积（保留整数）。解析要点：本题考查多步反应的化学计量计算，需注意各步骤转化率的连乘关系，