2025年高中化学竞赛终极挑战赛试题（一）

2025年高中化学竞赛终极挑战赛试题（一）考试时间：3小时满分：100分第1题（10分）氢能作为清洁能源的核心载体，其高效储存技术是实现“双碳”目标的关键。金属氢化物储氢材料（如LaNi₅）通过可逆反应实现氢的储存与释放：LaNi₅+3H₂⇌LaNi₅H₆。1-1写出该反应的平衡常数表达式K（用分压表示，H₂分压单位为kPa）。若某温度下平衡时H₂分压为101.3kPa，计算K的数值（保留2位有效数字）。1-2LaNi₅H₆的晶体结构中，La原子占据立方体顶点，Ni原子占据面心，H原子填充在四面体空隙中。已知晶胞参数a=511pm，计算该晶体的密度（以g/cm³为单位，保留3位有效数字）。1-3实验发现，Ti掺杂LaNi₅后储氢容量提升，推测掺杂后材料的晶格参数与原晶体相比如何变化？简述理由。第2题（12分）2024年合成的新型超分子化合物Cu₄L₄₄（L为含N杂环配体）具有独特的光催化性能。X射线衍射表明其分子结构中，4个Cu²⁺构成正方形平面，L配体通过N原子与Cu²⁺配位，形成“分子笼”结构。2-1写出Cu²⁺的价电子排布式，指出其未成对电子数。2-2若每个L配体提供2个配位N原子，推断该配合物中Cu²⁺的配位数。2-3该配合物在紫外光照射下可催化CO₂与H₂O反应生成HCOOH。写出催化总反应的化学方程式，并用单线桥法标出电子转移方向和数目。2-4实验测得该配合物的磁矩为2.0μB，结合晶体场理论解释其磁性来源（忽略轨道贡献）。第3题（10分）工业上通过“氯碱法”生产NaOH的反应为：2NaCl+2H₂O$\xlongequal{电解}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑。某工厂用含NaCl26.5%的粗盐水（密度1.18g/cm³）进行电解，电解效率为80%。3-1计算该粗盐水的物质的量浓度（保留3位有效数字）。3-2若电解时通入20A电流，理论上需通电多久（以小时为单位）才能生成10.0kgNaOH？（法拉第常数F=96500C/mol，电流效率=100%）3-3实际生产中，阳极产物除Cl₂外还含有少量O₂。写出O₂产生的电极反应式，并分析其对NaOH纯度的影响。第4题（14分）化合物A（C₁₀H₁₂O₂）是一种天然香料中间体，其合成路线如下：路线：$\ce{CH3CH2Br->[Mg,乙醚]B->[CH3COCH3][H3O+]C->[H2SO4,\Delta]D->[O3][Zn/H2O]A}$4-1写出B、C、D的结构简式。4-2指出D→A的反应类型，写出该反应的化学方程式。4-3A的¹H-NMR谱显示有6组峰，其中δ=7.2~7.4（多重峰，5H）、δ=4.1（四重峰，2H）、δ=1.2（三重峰，3H）。结合上述信息，画出A的结构简式，并解释δ=4.1处四重峰的成因。4-4设计由A制备$\ce{CH3CH2OOC-C6H4-COOH}$（对乙氧羰基苯甲酸）的合成路线（用流程图表示，试剂任选）。第5题（10分）用0.1000mol/LNaOH溶液滴定20.00mL某二元酸H₂A溶液，滴定曲线如图1所示（已知：pKa₁=2.85，pKa₂=5.70）。5-1计算H₂A溶液的初始浓度（保留4位有效数字）。5-2写出滴定至第一化学计量点时溶液中的质子守恒式。5-3计算当滴入15.00mLNaOH溶液时，溶液的pH（保留2位小数）。5-4若改用0.1000mol/LHCl滴定20.00mL0.1000mol/LNa₂A溶液，第一化学计量点时选用何种指示剂？（已知：甲基橙pKa=3.4，酚酞pKa=9.1）第6题（12分）氮族元素化合物在半导体材料领域应用广泛。6-1黑磷晶体具有层状结构，层内P原子通过共价键形成褶皱六元环，层间通过范德华力结合。画出黑磷的一个晶胞内P原子的投影示意图（以层平面为投影面）。6-2AsH₃的沸点（-62.5℃）低于NH₃（-33.5℃），但高于PH₃（-87.7℃），解释原因。6-3新型半导体材料GaN的制备反应为：Ga(CH₃)₃+NH₃$\xlongequal{800℃}$GaN+3CH₄↑。若反应中生成1molGaN，计算反应的ΔH（已知：Ga-C键能240kJ/mol，N-H键能391kJ/mol，Ga-N键能370kJ/mol，C-H键能414kJ/mol）。第7题（14分）某研究小组对“Fe³⁺与S₂O₃²⁻的氧化还原反应”进行探究，实验记录如下：实验序号试剂现象10.1mol/LFeCl₃溶液+0.1mol/LNa₂S₂O₃溶液（1:1混合）立即产生黄色沉淀，溶液逐渐变为浅绿色20.1mol/LFeCl₃溶液+0.5mol/LNa₂S₂O₃溶液（1:5混合）无沉淀，溶液呈深黄色，一段时间后变为无色7-1写出实验1中产生黄色沉淀的离子方程式。7-2实验2中“深黄色溶液”的主要成分是什么？设计实验验证（简述操作及现象）。7-3结合实验现象，写出Fe³⁺与过量S₂O₃²⁻反应的总离子方程式。7-4若用0.01mol/LKMnO₄溶液滴定实验2中无色溶液（含H⁺），消耗KMnO₄溶液20.00mL，计算参加反应的Fe³⁺的物质的量。第8题（10分）2025年发现的超导体REBa₂Cu₃O₇₋ₓ（RE为稀土元素）具有Tc=95K的临界温度。其晶体结构中，Cu原子存在两种配位环境：Cu(1)位于“链状”结构，配位数为4；Cu(2)位于“面状”结构，配位数为5。8-1若RE为La，写出该化合物中Cu元素的平均氧化数（用含x的代数式表示）。8-2已知该晶体属正交晶系，晶胞参数a=3.82Å，b=3.89Å，c=11.68Å，计算晶胞体积（以ų为单位，保留整数）。8-3实验发现，当x增大时Tc降低，推测x增大对晶体中Cu-O键键长的影响，并解释其与超导性能的关系。第9题（10分）用分光光度法测定废水中Cr(VI)含量的步骤如下：取100mL水样，加入H₂SO₄酸化至pH=1；加入5mL0.1mol/L(NH₄)₂Fe(SO₄)₂溶液，充分反应；用0.02000mol/LKMnO₄溶液滴定剩余Fe²⁺，消耗KMnO₄溶液15.00mL。9-1写出Cr(VI)与Fe²⁺反应的离子方程式（酸性条件下）。9-2计算水样中Cr(VI)的浓度（以mg/L为单位，保留3位有效数字）。9-3若滴定前未加入H₃PO₄掩蔽Fe³⁺，会导致测定结果偏高还是偏低？简述理由。第10题（12分）化合物X（C₈H₁₀O）的合成路线如下：$\ce{C6H5CH3->[Cl2,光照]E->[NaOH,H2O,\Delta]F->[Cu,O2,\Delta]X}$10-1写出E、F的结构简式。10-2X的同分异构体中，属于芳香醇且苯环上有两个取代基的共有多少种？其中核磁共振氢谱有5组峰的结构简式是什么？10-3设计由X制备$\ce{C6H5COOCH2CH3}$（苯甲酸乙酯）的合成路线（用流程图表示，试剂任选）。相对原子质量：H1.008C12.01N14.01O16.00Na22.99Mg24.31Al26.98S32