2025年高中化学竞赛开放性试题专项训练（三）

2025年高中化学竞赛开放性试题专项训练（三）一、开放性试题的核心特点2025年高中化学竞赛中的开放性试题呈现出三大显著特征。首先是情境真实性，试题普遍以真实科研场景或工业生产案例为背景，例如以我国科学家开发的新型CO₂加氢催化剂为素材，要求考生根据反应条件推断中间体结构并分析催化机理。这类题目不再局限于课本理论的直接应用，而是需要将化学原理与实际问题深度结合，体现了"从实验室到生产线"的学科应用逻辑。其次是思维发散性，同一问题允许多种合理解决方案并存。如在设计"绿色合成苯乙酸乙酯"的实验方案时，既可以采用传统浓硫酸催化酯化反应（需控制温度并处理废酸），也可选择固体酸催化剂（如分子筛）实现循环利用，甚至可提出微波辅助合成的创新思路。评分标准不再单一考察"标准答案"，而是根据方案的科学性、经济性和创新性进行梯度赋分，最高可给予方案设计分的120%奖励。第三是跨学科融合，试题常涉及化学与材料、环境、生物等学科的交叉内容。2025年竞赛中出现要求分析"人工光合作用体系"中光敏材料的能带结构与电子转移路径的题目，既需要运用配合物化学中d-d跃迁理论，又需结合物理化学中的电极电势知识，甚至涉及生物光合作用的基本原理。这种跨学科视角对考生的知识整合能力提出了更高要求。二、典型题型分类解析（一）实验设计类试题此类题目占开放性试题总分值的35%左右，重点考察实验方案的创新性与可行性。2025年竞赛中出现的"废电池中重金属离子的回收工艺设计"颇具代表性，题目提供了锌锰干电池的主要成分数据（MnO₂约25%、Zn约20%、NH₄Cl约10%及少量Hg²⁺），要求完成以下任务：设计溶解-分离-提纯的完整流程，需明确各步骤的试剂选择（如用1.0mol/LH₂SO₄溶解锌皮，用浓盐酸与MnO₂反应生成Cl₂需进行尾气处理）；绘制实验装置图并标注关键仪器参数（如减压过滤装置中布氏漏斗的直径选择）；评估方案的绿色化学指标，包括原子利用率计算（如Zn²⁺沉淀为ZnCO₃时的理论产率）和能耗分析（对比直接煅烧与湿法回收的能耗差异）。在设计实验方案时，考生需考虑以下关键要素：试剂选择的科学性：如溶解Zn时不能使用硝酸，避免引入NO₃⁻杂质；处理Hg²⁺需用Na₂S作沉淀剂，但需控制pH值防止H₂S逸出实验装置的安全性：Cl₂尾气需用饱和NaOH溶液吸收，装置需设置防倒吸装置分离方法的合理性：Zn²⁺与Mn²⁺的分离可采用调节pH沉淀法（Zn(OH)₂的Ksp=3×10⁻¹⁷，Mn(OH)₂的Ksp=2×10⁻¹³），通过控制pH=8.0可实现Zn²⁺完全沉淀而Mn²⁺不沉淀绿色化学评估：需计算原子利用率，如Zn→ZnSO₄→ZnCO₃的原子利用率为(65.39+12.01+48.00)/(65.39+98.08+60.01)=72.5%（二）反应机理探究类试题此类题目占开放性试题总分值的25%，要求考生根据实验现象或数据推导反应历程。2025年竞赛中"邻二甲苯的臭氧分解产物分析"题目具有典型性，题目给出不同反应时间的产物分布：反应0.5小时主要生成邻甲基苯甲醛（35%）和甲基乙二醛（28%）；反应2小时后生成邻苯二甲酸酐（42%）和CO₂（18%）。要求考生：①推断反应中间体结构；②绘制反应势能面示意图；③解释温度对产物分布的影响（25℃时醛类产物为主，60℃时酸酐产率提高）。解题关键在于：根据臭氧化反应的特点，推测中间体为含有过氧键的臭氧化物运用自由基反应机理解释产物分布随时间变化的规律结合热力学数据（如各步反应的活化能）分析温度影响，高温有利于克服较高能垒的氧化步骤（三）复杂体系分析类试题这类题目占开放性试题的40%，通常以环境、能源或材料领域的实际问题为背景，考察考生对复杂化学体系的综合分析能力。典型题目如"含氮废水处理的生物硝化过程分析"，题目给出不同pH条件下各形态氮的浓度随时间变化曲线，要求考生：（1）写出亚硝化菌和硝化菌参与的两步反应方程式；（2）计算25℃、pH=7.5时的表观反应速率常数；（3）解释pH值低于6时反应速率显著下降的原因。解答此类问题需要：掌握生物硝化的基本原理：第一步是NH₄⁺在亚硝化菌作用下氧化为NO₂⁻，反应式为2NH₄⁺+3O₂=2NO₂⁻+2H₂O+4H⁺；第二步是NO₂⁻在硝化菌作用下氧化为NO₃⁻，反应式为2NO₂⁻+O₂=2NO₃⁻运用动力学公式计算反应速率常数，如采用一级反应模型ln(c₀/c)=kt分析pH影响机制：pH<6时，游离氨（NH₃）浓度降低，而亚硝化菌的活性中心需要NH₃作为底物，同时H⁺浓度过高会抑制酶的活性三、综合训练题及解题思路训练题一：新型CO₂加氢催化剂性能研究【题目】我国科学家开发的新型双核Zn催化剂可高效催化CO₂加氢生成甲醇，反应条件为200℃、3MPa，催化剂组成为Zn₂O(CH₃COO)₂·2H₂O。已知反应过程中检测到HCOO⁻和CH₃O⁻两种中间体，催化剂表面存在Zn⁰和Zn²⁺两种活性位点。（1）写出CO₂加氢生成甲醇的总反应方程式；（2）设计实验验证中间体HCOO⁻的存在；（3）基于上述信息，提出可能的催化反应机理，并画出反应路径示意图；（4）对比该催化剂与传统Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂的优缺点。【解题思路】（1）总反应方程式为CO₂+3H₂=CH₃OH+H₂O（2）中间体检测方案：可采用原位红外光谱技术，在反应过程中监测1560-1600cm⁻¹处是否出现HCOO⁻的特征吸收峰；或采用同位素标记法，使用¹³CO₂进行反应，通过质谱检测含¹³C的中间体（3）催化机理推测：CO₂首先在Zn²⁺位点吸附活化，与表面羟基反应生成HCOO⁻中间体；HCOO⁻迁移至Zn⁰位点加氢生成CH₃O⁻；CH₃O⁻进一步加氢生成CH₃OH并脱附（4）催化剂对比分析：新型Zn催化剂的优点是低温活性高、选择性好（甲醇产率>95%），缺点是稳定性较差（连续反应50小时后活性下降30%）；传统Cu基催化剂稳定性好但需在250℃以上才有较高活性，且易发生逆水汽变换反应生成CO训练题二：人工光合作用体系设计【题目】某研究团队设计的人工光合作用体系由以下部分组成：光敏材料（CdS量子点）、电子中继体（[Co(bpy)₃]³⁺/²⁺）、产氢催化剂（Pt纳米颗粒）和牺牲剂（抗坏血酸）。当用450nm光照射该体系时，可将水分解为H₂和O₂。（1）写出该体系中电子转移的完整路径；（2）计算CdS量子点的带隙能量（已知450nm光的能量可激发电子从价带跃迁至导带）；（3）设计实验验证电子转移过程，至少提出两种表征方法；（4）分析该体系的量子产率仅为12%的可能原因。【解题思路】（1）电子转移路径：CdS受光激发后，价带电子跃迁至导带，导带电子转移至[Co(bpy)₃]³⁺使其还原为[Co(bpy)₃]²⁺，[Co(bpy)₃]²⁺再将电子传递给Pt催化剂用于质子还原产氢；同时CdS价带空穴氧化牺牲剂抗坏血酸（2）带隙能量计算：E=hc/λ=6.626×10⁻³⁴J·s×3×10⁸m/s/(450×10⁻⁹m)=4.42×10⁻¹⁹J=2.76eV（3）电子转移验证方法：①瞬态吸收光谱，监测[Co(bpy)₃]³⁺在600nm处的特征吸收峰随时间变化；②电化学方法，测量光照射下体系的光电流响应（4）量子产率低的原因：光吸收不完全、电子-空穴复合、电子传递过程中的能量损失、催化剂表面的副反应等训练题三：绿色合成苯乙酸乙酯的方案设计【题目】苯乙酸乙酯是一种重要的香料中间体，传统合成方法采用苯乙酸和乙醇在浓硫酸催化下酯化反应。请设计至少两种绿色合成方案，并从原子经济性、能耗、环境影响等方面进行对比分析。【解题思路】方案一：固体酸催化酯化法催化剂选择：分子筛（如H-ZSM-5）或离子交换树脂反应条件：120℃，回流反应4小时优点：催化剂可回收重复使用，无废酸排放，原子利用率与传统方法相当（约85%）缺点：反应速率较慢，需要较高温度方案二：微波辅助酯交换法原料：苯乙酸甲酯和乙醇催化剂：碱性离子液体（如[bmim]OAc）反应条件：微波功率300W，反应时间30分钟优点：反应时间短，能耗低，原子利用率高（>95%）缺点：酯交换反应平衡转化率有限，需采用过量乙醇并通过精馏移出生成的甲醇方案三：酶催化合成法催化剂：脂肪酶（如Novozym435）反应介质：正己烷（低水体系）优点：反应条件温和（40℃），选择性高，产品纯度好缺点：酶催化剂成本高，反应速率慢，不适用于大规模生产对比分析表明，方案二在原子经济性和能耗方面具有明显优势，是工业化应用前景最好的绿色合成方法，但需要解决反应平衡限制问题；方案一适合现有生产装置的改造升级，无需大量设备投资；方案三则适用于高附加值、小批量产品的合成。训练题四：Zn-Mn干电池回收工艺优化【题目】基于提供的锌锰干电池成分数据（MnO₂约25%、Zn约20%、NH₄Cl约10%及少量Hg²⁺），设计一套完整的回收工艺，要求：（1）采用湿法工艺分离回收Zn和Mn；（2）Hg²⁺的去除率达到99.9%以上；（3）工艺中不得使用有毒试剂；（4）对两种不同的Zn²⁺沉淀剂（Na₂CO₃和(NH₄)₂CO₃）进行对比分析。【解题思路】完整工艺流程设计：预处理：拆解电池，分离外壳（铁或塑料）与内芯溶解：用1.0mol/LH₂SO₄溶解锌皮：Zn+H₂SO₄=ZnSO₄+H₂↑用0.5mol/LH₂SO₄和3%H₂O₂混合溶液溶解MnO₂：MnO₂+H₂O₂+H₂SO₄=MnSO₄+O₂↑+2H₂O重金属去除：调节pH=9.0，加入过量Na₂S，使Hg²⁺沉淀为HgS（Ksp=4×10⁻⁵³），同时生成少量ZnS沉淀分离Mn²⁺和Zn²⁺：方法一：分步沉淀，先调节pH=5.5沉淀Mn²⁺为Mn(OH)₂，再调节pH=8.0沉淀Zn²⁺方法二：溶剂萃取，使用二(2-乙基己基)磷酸（D2EHPA）在pH=3.5时萃取Zn²⁺，Mn²⁺留在水相提纯：Zn²⁺溶液可选用Na₂CO₃或(NH₄)₂CO₃作为沉淀剂：Na₂CO₃沉淀：ZnSO₄+Na₂CO₃=ZnCO₃↓+Na₂SO₄，优点是沉淀颗粒大易过滤，缺点是引入Na⁺杂质(NH₄)₂CO₃沉淀：ZnSO₄+(NH₄)₂CO₃=ZnCO₃↓+(NH₄)₂SO₄，优点是(NH₄)₂SO₄可作为肥料利用，缺点是过量(NH₄)₂CO₃易使ZnCO₃转化为可溶性配合物产品转化：将ZnCO₃煅烧生成ZnO（用于制备新电池材料），Mn(OH)₂煅烧生成MnO₂工艺评估：原子利用率：Zn的理论回收率可达92%以上，Mn的理论回收率可达85%以上绿色化学指标：采用水相工艺避免有机溶剂使用，所有试剂均可回收或无害化处理经济性分析：(NH₄)₂CO₃沉淀剂成本高于Na₂CO₃，但副产品(