2025年高中化学竞赛创新思维挑战赛试题（一）

2025年高中化学竞赛创新思维挑战赛试题（一）一、选择题（每题3分，共30分）量子点材料与诺贝尔化学奖2024年诺贝尔化学奖授予“量子点的发现与应用”，其核心原理是利用半导体纳米晶体的量子限制效应调控发光波长。已知某CdSe量子点的粒径为3.2nm，对应的禁带宽度为2.4eV（1eV=1.602×10⁻¹⁹J），则该量子点的发光波长最接近（）A.450nmB.517nmC.620nmD.780nm碳中和背景下的能源转化我国科研团队开发的“太阳能驱动CO₂还原与甲醇合成”耦合系统，核心反应如下：光催化步骤：2H₂O→2H₂↑+O₂↑（ΔH₁=+571.6kJ/mol）热催化步骤：CO₂+3H₂→CH₃OH+H₂O（ΔH₂=-49.0kJ/mol）下列说法错误的是（）A.该系统实现了太阳能向化学能的转化B.总反应的ΔS<0C.升高温度可提高热催化步骤中CH₃OH的平衡产率D.催化剂可降低光催化步骤的活化能配合物结构与性质某新型锂硫电池的电解质为LiTFSI（双三氟甲磺酰亚胺锂），其阴离子结构如图所示（提示：中心原子为S，配位原子为O和N）。下列关于该阴离子的说法错误的是（）A.中心原子S的杂化方式为sp³B.存在配位键和共价键C.所有F原子可能共平面D.键角∠F-S-F小于109.5°酸碱滴定与指示剂选择用0.1000mol/LNaOH溶液滴定20.00mL0.1000mol/LH₃PO₄溶液（pKa₁=2.15，pKa₂=7.20，pKa₃=12.35），滴定至pH=7.20时，溶液中主要存在的含磷微粒是（）A.H₃PO₄和H₂PO₄⁻B.H₂PO₄⁻和HPO₄²⁻C.HPO₄²⁻和PO₄³⁻D.H₂PO₄⁻有机反应类型判断下列有机反应中，属于亲核取代反应的是（）A.乙烯与溴的加成反应B.苯的硝化反应C.乙醇的分子内脱水反应D.溴乙烷与NaOH水溶液的反应化学热力学与自发性下列关于化学反应自发性的判断，正确的是（）A.ΔH<0的反应一定自发进行B.ΔS>0的反应一定自发进行C.ΔG=ΔH-TΔS<0时反应自发D.自发反应一定是放热反应元素周期律与电子排布某元素的基态原子价电子排布式为4d¹⁰5s¹，该元素在周期表中的位置是（）A.第五周期ⅠB族B.第五周期Ⅷ族C.第四周期ⅠB族D.第四周期Ⅷ族配合物组成分析某配合物的化学式为[Co(NH₃)₅Cl]Cl₂，下列说法错误的是（）A.中心离子为Co³⁺B.配位数为6C.外界离子为Cl⁻D.配位原子为N和Cl天然产物手性分析某天然产物的结构简式如下（提示：含多个手性中心），其分子中含有的手性碳原子数为（）A.2B.3C.4D.5平衡常数计算已知[Cu(NH₃)₄]²⁺的稳定常数Kf=2.1×10¹³，[Cu(EDTA)]²⁻的稳定常数Kf=5.0×10¹⁸。向0.1mol/L[Cu(NH₃)₄]²⁺溶液中滴加等浓度EDTA溶液，发生反应[Cu(NH₃)₄]²⁺+EDTA⁴⁻=[Cu(EDTA)]²⁻+4NH₃，该反应的平衡常数为（）A.2.4×10⁵B.4.2×10⁻⁶C.1.1×10³²D.9.5×10⁻⁴二、填空题（每空2分，共30分）写出下列物质的化学式：（1）重晶石________；（2）胆矾________；（3）高铁酸钾________。反应2SO₂(g)+O₂(g)⇌2SO₃(g)的ΔH=-196.6kJ/mol，升高温度时，平衡常数K值________（填“增大”“减小”或“不变”），平衡向________方向移动。某原子的电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹，该元素的原子序数为________，位于周期表第________周期________族。用价层电子对互斥理论预测：（1）NH₃分子的空间构型为________；（2）SO₄²⁻的空间构型为________。0.1mol/LNa₂CO₃溶液中，离子浓度由大到小的顺序为________________________（用离子符号表示）。海洋资源化学中，除去海水中Mg²⁺、Ca²⁺和SO₄²⁻的试剂添加顺序合理的是________（填字母）：A.BaCl₂溶液→Na₂CO₃溶液→NaOH溶液→盐酸B.NaOH溶液→BaCl₂溶液→盐酸→Na₂CO₃溶液C.BaCl₂溶液→盐酸→Na₂CO₃溶液→NaOH溶液三、实验探究题（共40分）背景氢能是碳中和背景下的理想清洁能源，但其储存和运输成本限制了规模化应用。液态有机储氢材料（如甲酸）因储氢密度高、安全性好成为研究热点。甲酸在催化剂作用下分解为H₂和CO₂，反应方程式为：HCOOH$\xrightarrow{\text{催化剂}}$H₂↑+CO₂↑任务设计一套一体化实验装置，实现甲酸分解制氢、CO₂分离及氢气纯度检测的连续操作，并探究实验条件对产率的影响。实验原理甲酸分解：不同催化剂（Pd/C、Fe³⁺-活性炭复合材料）对反应速率和产率的影响差异；CO₂分离：利用NaOH溶液吸收CO₂（CO₂+2NaOH=Na₂CO₃+H₂O），吸收后溶液可用于制备NaHCO₃；氢气检测：通过燃爆实验和澄清石灰水检验H₂纯度。问题装置设计（10分）画出实验装置示意图（需标注仪器名称），并说明各模块（制氢、分离、检测）的作用。催化剂筛选（12分）某实验小组在50℃下进行对比实验，数据如下表：催化剂类型10分钟内H₂体积（mL）产率（%）无催化剂5.28.7Pd/C（0.5g）45.876.3Fe³⁺-活性炭（0.5g）32.654.3（1）计算Pd/C催化剂组的反应速率（mL/min，保留两位小数）；（2）结合成本与效率，选择最优催化剂并说明理由。条件优化（8分）固定Pd/C催化剂0.5g，改变反应温度，得到H₂产率数据：30℃（62.5%）、40℃（70.8%）、50℃（76.3%）、60℃（68.2%）。（1）解释60℃时产率下降的原因；（2）写出一条提高产率的其他措施。CO₂再利用（10分）吸收CO₂后的NaOH溶液（含Na₂CO₃）可制备NaHCO₃。若分离出1LCO₂（标准状况），理论上可制备NaHCO₃的质量为多少克？（写出计算过程，NaHCO₃摩尔质量为84g/mol）四、理论综合题（共50分）碳捕集与转化我国科研团队开发的“太阳能驱动CO₂还原与甲醇合成”耦合系统，总反应为：2H₂O+CO₂$\xrightarrow{\text{光/热催化}}$CH₃OH+$\frac{3}{2}$O₂热力学分析（15分）已知：2H₂O(l)=2H₂(g)+O₂(g)ΔH₁=+571.6kJ/molCO₂(g)+3H₂(g)=CH₃OH(g)+H₂O(l)ΔH₂=-49.0kJ/mol（1）计算总反应的ΔH；（2）若总反应的ΔS=-242.3J/(mol·K)，计算298K时的ΔG，并判断反应能否自发进行。反应机理（15分）热催化步骤中，CO₂与H₂在催化剂表面的反应历程如下：①CO₂(g)→CO₂*（吸附态，ΔH=+12kJ/mol）②CO₂*+H₂(g)→HCOO*+H*（ΔH=-65kJ/mol）③HCOO*+3H*→CH₃OH*+H₂O*（ΔH=-102kJ/mol）④CH₃OH*→CH₃OH(g)（ΔH=+38kJ/mol）（*表示吸附态物种）（1）写出步骤②的活化能与ΔH的关系（用Eₐ正、Eₐ逆表示）；（2）该历程中决速步是哪一步？说明理由。工业应用（20分）某工厂采用上述系统，每天处理1000m³CO₂（标准状况），已知甲醇产率为80%。（1）计算每天生成甲醇的质量（kg）；（2）若每千克甲醇完全燃烧放热22.7kJ，这些甲醇燃烧可提供多少能量（kJ）？（3）结合碳中和目标，分析该技术的环境效益。五、有机化学题（共50分）天然产物合成紫杉醇是一种抗癌天然产物，其全合成过程中某中间体（结构简式如下）的构建是关键步骤：（提示：结构中含六元环内酯，四个手性中心）结构分析（15分）（1）指出该中间体的官能团名称（至少3种）；（2）判断分子中手性碳原子的数目。反应机理（20分）该中间体的合成涉及如下反应：①醛基与格氏试剂（CH₃MgBr）的加成反应；②羟基的乙酰化反应（CH₃COCl/Py）。（1）写出反应①的化学