2025年高中化学竞赛STSE试题专项训练（三）

2025年高中化学竞赛STSE试题专项训练（三）一、选择题（共5题，每题4分）1.氢能储存技术氢能作为清洁能源备受关注，其储存技术是推广应用的关键。金属氢化物储氢材料具有可逆吸放氢性能，如LaNi₅的储氢反应为：LaNi₅+3H₂⇌LaNi₅H₆。下列关于该反应的说法正确的是（）A.该反应的平衡常数表达式为K=[LaNi₅H₆]/([LaNi₅]·[H₂]³)B.若在某温度下，体系中H₂分压为101.3kPa时反应达到平衡，则K的数值为1/(101.3)³C.升高温度有利于H₂的吸收D.增大压强不利于H₂的储存解析：B。金属氢化物储氢反应中，固体物质的浓度视为常数，平衡常数表达式中不应出现固体物质，故A错误。该反应的平衡常数表达式应为K=1/(P(H₂))³，当H₂分压为101.3kPa时，K=1/(101.3)³，B正确。储氢反应通常为放热反应，升高温度平衡逆向移动，不利于H₂的吸收，C错误。增大压强平衡正向移动，有利于H₂的储存，D错误。2.环境保护与绿色化学2025年新修订的《环境空气质量标准》新增了多项监测指标。下列有关环境问题的说法正确的是（）A.温室效应主要由CO₂引起，其他温室气体如CH₄等对环境影响可忽略B.酸雨的形成主要与SO₂和NOₓ有关，pH小于7的雨水即为酸雨C.白色污染是指难以降解的塑料制品造成的污染，可通过焚烧处理D.臭氧层空洞主要由氟氯代烷等物质引起，这些物质会破坏O₃的结构解析：D。CH₄是重要的温室气体，其温室效应是CO₂的20倍左右，A错误。酸雨是指pH小于5.6的雨水，B错误。焚烧塑料会产生有毒气体如二噁英等，加剧环境污染，C错误。氟氯代烷会与O₃发生反应，破坏臭氧层，D正确。3.材料科学与技术华为折叠手机采用了多种新型材料。下列关于材料的说法错误的是（）A.手机屏幕使用的柔性玻璃属于无机非金属材料B.电池电极材料石墨烯是一种新型有机高分子材料C.机身框架使用的镁铝合金具有强度大、密度小的优点D.触摸屏使用的ITO导电膜（氧化铟锡）属于金属氧化物解析：B。石墨烯是碳单质，属于无机非金属材料，不是有机高分子材料，B错误。柔性玻璃主要成分为硅酸盐，属于无机非金属材料，A正确。镁铝合金具有强度大、密度小、耐腐蚀等优点，C正确。ITO导电膜的主要成分为氧化铟锡，属于金属氧化物，D正确。4.能源开发与利用钙钛矿太阳能电池是近年来的研究热点。下列关于能源的说法正确的是（）A.氢能是理想的清洁能源，电解水制氢符合绿色化学理念B.煤的气化和液化都是物理变化，可提高煤的利用率C.太阳能、风能、地热能等新能源的开发利用有利于实现碳中和D.石油的分馏可得到乙烯、丙烯等重要化工原料解析：C。电解水制氢需要消耗大量电能，若电能来自化石燃料，则不符合绿色化学理念，A错误。煤的气化和液化都是化学变化，B错误。新能源的开发利用可减少化石燃料的使用，有利于实现碳中和，C正确。石油的分馏得到的是汽油、煤油等轻质油，乙烯、丙烯等通过石油裂解获得，D错误。5.化学与生活健康食品添加剂的合理使用是保障食品安全的重要环节。下列关于食品添加剂的说法正确的是（）A.防腐剂亚硝酸钠对人体有害，绝对不能使用B.营养强化剂可增强食品的营养价值，应大量添加C.着色剂柠檬黄可用于馒头、包子等面食的染色D.抗氧化剂维生素C可防止食品氧化变质，延长保质期解析：D。亚硝酸钠在规定范围内使用是安全的，具有抑制细菌生长和抗氧化的作用，A错误。营养强化剂应适量添加，过量可能对人体有害，B错误。柠檬黄等合成色素不能用于馒头、包子等主食的染色，C错误。维生素C具有还原性，可作为抗氧化剂防止食品氧化变质，D正确。二、填空题（共3题，每题10分）6.含氮废水处理某工厂排放的废水中含有NH₄⁺、NO₂⁻和NO₃⁻三种形态的氮元素，在通入O₂的条件下通过生物硝化作用实现转化。回答下列问题：（1）亚硝化菌和硝化菌参与的两步反应方程式分别为_______、_______。（2）在25℃、pH=7.5时，测得NH₄⁺的浓度随时间变化如下表：|时间/min|0|10|20|30|40||----------|---|----|----|----|----||c(NH₄⁺)/mg·L⁻¹|100|75|56|42|32|则该条件下NH₄⁺的表观反应速率常数k=min⁻¹（保留两位有效数字）。（3）pH值低于6时反应速率显著下降的原因是。解析：（1）2NH₄⁺+3O₂=2NO₂⁻+4H⁺+2H₂O；2NO₂⁻+O₂=2NO₃⁻（2）0.028。根据一级反应动力学方程ln(c₀/c)=kt，代入数据得k=0.028min⁻¹。（3）pH过低时，H⁺浓度过高会抑制亚硝化菌和硝化菌的活性，导致酶催化效率下降。7.碳捕集技术碳捕集技术（CCS）是实现碳中和的重要手段。某研究团队开发了一种新型胺基吸附材料，可高效吸附CO₂。回答下列问题：（1）该材料吸附CO₂的原理是胺基（-NH₂）与CO₂发生化学反应，生成_______（填化学式）。（2）吸附后的材料可通过_______（填操作方法）实现再生，释放出高纯度CO₂。（3）CO₂可用于合成甲醇，反应方程式为CO₂+3H₂=CH₃OH+H₂O。若要合成1mol甲醇，理论上需要标准状况下CO₂的体积为_______L，转移电子的物质的量为_______mol。解析：（1）RNHCOO⁻（或其他合理答案）（2）加热（或减压）（3）22.4；6。根据反应方程式，合成1mol甲醇需要1molCO₂，标准状况下体积为22.4L；CO₂中C元素从+4价变为-2价，转移6mol电子。8.化学反应动力学邻二甲苯的臭氧分解反应是一个复杂的动态过程。已知该反应分两步进行：第一步：C₈H₁₀+O₃→C₈H₁₀O₃（中间体）（快反应）第二步：C₈H₁₀O₃→产物（慢反应）回答下列问题：（1）该反应的总反应方程式为_______。（2）反应的速率控制步骤是第_______步（填“一”或“二”）。（3）若中间体C₈H₁₀O₃的浓度为c，第二步反应的速率常数为k，则第二步反应的速率方程为v=。（4）升高温度，反应速率常数k将（填“增大”“减小”或“不变”），原因是_______。解析：（1）C₈H₁₀+O₃→产物（合理即可）（2）二。慢反应为速率控制步骤。（3）v=kc。第二步为一级反应。（4）增大；升高温度，活化分子百分数增加，有效碰撞频率增大，反应速率加快。三、计算题（共2题，每题15分）9.反应热力学与动力学已知NH₄HCO₃分解反应为NH₄HCO₃(s)=NH₃(g)+CO₂(g)+H₂O(g)。在不同温度下，该反应的气相产物组分变化如下表：|温度/K|p(NH₃)/kPa|p(CO₂)/kPa|p(H₂O)/kPa||--------|------------|------------|------------||300|10|10|10||350|20|20|20|（1）计算300K时该反应的平衡常数Kp=_______kPa³。（2）计算300K时该反应的ΔrGmθ=_______kJ·mol⁻¹（已知R=8.314J·mol⁻¹·K⁻¹）。（3）若该反应的ΔrHmθ=180kJ·mol⁻¹，计算350K时的平衡常数Kp'=_______kPa³（忽略温度对ΔrHmθ的影响）。解析：（1）Kp=p(NH₃)·p(CO₂)·p(H₂O)=10×10×10=1000kPa³。（2）ΔrGmθ=-RTlnKp=-8.314×300×ln1000≈-8.314×300×6.908≈-17200J·mol⁻¹=-17.2kJ·mol⁻¹。（3）根据范特霍夫方程ln(Kp'/Kp)=ΔrHmθ(T'-T)/(RTT')，代入数据得ln(Kp'/1000)=180000×(350-300)/(8.314×300×350)≈180000×50/(8.314×105000)≈1.03，解得Kp'=1000×e¹.⁰³≈2800kPa³。10.电化学与能源一种新型氢氧燃料电池采用质子交换膜，电解质为酸性溶液。回答下列问题：（1）写出该电池的正极反应式：_______。（2）若电池工作时消耗H₂的速率为0.1mol·min⁻¹，则电路中通过的电流为_______A（已知F=96500C·mol⁻¹）。（3）该电池的能量转化效率为80%，若要产生1kWh的电能，理论上需要标准状况下H₂的体积为_______L（1kWh=3.6×10⁶J）。解析：（1）O₂+4H⁺+4e⁻=2H₂O（2）308。根据I=Q/t=nF/t=0.1×2×96500/60≈308A。（3）101.3。1kWh=3.6×10⁶J，实际需要能量为3.6×10⁶/0.8=4.5×10⁶J。H₂的燃烧热为285.8kJ·mol⁻¹，需要H₂的物质的量为4500/285.8≈15.7mol，标准状况下体积为15.7×22.4≈352L。但根据电化学计算，1molH₂转移2mol电子，电能W=UIt=EIt=EnF，E=1.23V，n=W/(EF)=3.6×10⁶/(1.23×96500×0.8)≈38.7mol，体积为38.7×22.4≈867L。（注：此处可能存在两种计算方式，若按燃烧热计算为352L，按电化学计算为867L，根据题意应按电化学计算，答案为867L左右，此处可能题目存在歧义，按提供数据计算即可）四、实验设计题（共1题，15分）11.动态化学过程分析某研究小组欲通过红外光谱实时监测技术分析邻二甲苯的臭氧分解反应进程。实验装置如下图所示：（1）写出实验中需要用到的主要仪器名称：、、。（2）简述实验操作步骤：①；②_______；③_______。（3）如何通过红外光谱判断反应是否结束？_______。解析：（1）臭氧发生器、红外光谱仪、反应釜（或石英池）（2）①将邻二甲苯样品放入反应釜中，连接好红外光谱仪检测装置；②打开臭氧发生器，通入一定流量的O₃气体，同时启动红外光谱仪进行实时监测；③每隔一定时间记录一次红外光谱图，直至反应结束。（3）当红外光谱图中邻二甲苯的特征吸收峰（如苯环的C-H伸缩振动峰，约3030cm⁻¹）强度不再变化，且产物的特征吸收峰强度不再增加时，说明反应结束。五、综合题（共1题，20分）12.碳中和与新能源（1）简述实现碳中和的主要技术路径（至少列举3种）。（2）氢能作为清洁能源，其制备方法主要有哪些？简述各自的优缺点。（3）钙钛矿太阳能电池是近年来的研究热点，其主要组成是什么？与传统硅基太阳能电池相比有哪些优势？（4）CO₂的资源化利用是实现碳中和的重要手段。列举3种CO₂资源化利用的途径，并写出相应的化学反应方程式。解析：（1）碳捕集与封存（CCS）、发展清洁能源（太阳能、风能等）、提高能源利用效率、植树造林等。（2）①电解水制氢：优点是纯度高、无污染，缺点是能耗高；②化石燃料重整制氢：优点是成本低、技术成熟，缺点是产生CO₂；③光解水制氢：优点是利用太阳能，可持续，缺点是效率低、成本高。（3）钙钛矿太阳能电池主要由钙钛矿材料（如CH₃NH₃PbI₃）、电子传输层、空穴传输层等组成。优势：制备成本低、柔性好、可大面积制备，转换效率提升快。（4）①合成甲醇：CO₂+3H₂=CH₃OH+H₂O；②合成尿素：CO₂+2NH₃=CO(NH₂)₂+H₂O；③制备碳酸盐：CO₂+Ca(OH)₂=CaCO₃↓+H₂O。六、命题思路分析本套试题严格遵循2025年高中化学竞赛STSE命题趋势，突出以下特点：情境真实性：以氢能储存、碳捕集、含氮废水处理等实际问题为背景，考查学生运用化学知识解决实际问