2025年上学期高一化学新情境问题专练（四）

2025年上学期高一化学新情境问题专练（四）专题一：物质结构与化学键的实际应用情境问题1：航天器材料的化学键分析情境描述：2025年我国载人登月计划中，某新型合金材料被用于制造登月舱外壳。该材料由铝、镁和硅三种元素组成，其结构中同时存在金属键、离子键和共价键。已知材料中含有的化合物包括Mg₂Si、Al₂O₃和MgO，回答下列问题：（1）写出Mg₂Si的电子式，并判断其中化学键类型。（2）比较Al₂O₃和MgO的熔点高低，说明判断依据。（3）若材料表面形成SiO₂保护膜，解释其化学稳定性的原因。解析：（1）Mg₂Si为离子化合物，电子式为[\text{Mg}^{2+}[:\text{Si}::\text{Si}:]^{4-}\text{Mg}^{2+}]，其中Mg²⁺与Si⁴⁻之间形成离子键，Si原子之间存在非极性共价键。（2）Al₂O₃熔点高于MgO。二者均为离子晶体，Al³⁺半径小于Mg²⁺，且电荷数更高，离子键更强，晶格能更大。（3）SiO₂为原子晶体，Si原子与O原子通过共价键形成空间网状结构，共价键键能大，因此化学性质稳定，可阻止内部材料被氧化。情境问题2：医用消毒剂的分子结构与性质情境描述：过氧乙酸（CH₃COOOH）是疫情期间常用的高效消毒剂，其分子结构中含有过氧键（-O-O-）。回答下列问题：（1）写出过氧乙酸的结构式，并指出分子中极性键和非极性键的类型。（2）比较过氧乙酸与乙酸（CH₃COOH）的酸性强弱，结合分子结构解释原因。（3）过氧乙酸在储存时需避免高温，用化学方程式表示其受热分解的反应。解析：（1）过氧乙酸的结构式为[\text{CH}_3\text{COOOH}]，其中极性键包括C-H、C-O、O-H键，非极性键为-O-O-键。（2）过氧乙酸酸性强于乙酸。过氧键（-O-O-）的吸电子效应使羧基中O-H键极性增强，更易电离出H⁺。（3）受热分解反应为[2\text{CH}_3\text{COOOH}\xrightarrow{\Delta}2\text{CH}_3\text{COOH}+\text{O}_2\uparrow]。专题二：化学反应原理与能量转化情境问题3：氢氧燃料电池的能量转换情境描述：某型号氢氧燃料电池以KOH溶液为电解质，用于无人机供电。其工作原理为[2\text{H}_2+\text{O}_2=2\text{H}_2\text{O}]，回答下列问题：（1）写出电池负极的电极反应式，并说明电子流动方向。（2）若电池输出电流为1A，工作1小时理论上消耗H₂的质量（已知法拉第常数F=96500C/mol）。（3）比较该电池与铅酸蓄电池的能量密度（单位质量输出电能），解释差异原因。解析：（1）负极反应式为[\text{H}_2-2\text{e}^-+2\text{OH}^-=2\text{H}_2\text{O}]，电子从负极经外电路流向正极。（2）电量Q=It=1A×3600s=3600C，n(e⁻)=3600C/96500C/mol≈0.0373mol，n(H₂)=0.01865mol，质量m=0.0373g。（3）氢氧燃料电池能量密度更高。H₂和O₂为气体，无需储存于电池内部，且产物H₂O不污染环境，而铅酸蓄电池中Pb和PbO₂为固体，质量大且能量转换效率低。情境问题4：工业合成氨的反应条件优化情境描述：合成氨反应[\text{N}_2+3\text{H}_2\rightleftharpoons2\text{NH}_3\quad\DeltaH=-92.4\text{kJ/mol}]在实际生产中采用400~500℃、20~50MPa和铁催化剂的条件。回答下列问题：（1）解释选择高温条件的原因，结合反应速率和平衡移动原理分析。（2）若将反应容器体积压缩至原来的1/2，说明平衡移动方向及K值变化。（3）简述铁催化剂的作用，并画出有无催化剂时的反应能量变化示意图。解析：（1）高温可提高反应速率，但会使平衡逆向移动。实际生产中需兼顾速率与转化率，400~500℃时催化剂活性最高，可加快反应达到平衡的时间。（2）体积压缩后压强增大，平衡正向移动；K值只与温度有关，故不变。（3）催化剂通过降低反应活化能加快反应速率，但不改变平衡状态。能量变化示意图需标注催化剂使活化能（Ea）降低，而ΔH不变。专题三：元素化合物与实际应用情境问题5：海水提溴的工艺原理情境描述：工业上从海水中提取溴的流程如下：[\text{海水}\xrightarrow{\text{酸化、Cl}_2}\text{含Br}_2\text{溶液}\xrightarrow{\text{空气吹出}}\text{Br}_2\text{蒸气}\xrightarrow{\text{SO}_2\text{吸收}}\text{HBr溶液}\xrightarrow{\text{Cl}_2}\text{Br}_2]（1）写出“酸化、Cl₂”步骤中发生反应的离子方程式。（2）说明“空气吹出”的原理，并比较Br₂与Cl₂的沸点高低。（3）若处理1000L海水（含Br⁻0.067g/L），理论上可得到Br₂的质量。解析：（1）离子方程式为[2\text{Br}^-+\text{Cl}_2=2\text{Cl}^-+\text{Br}_2]。（2）Br₂易挥发，通入空气可将其从溶液中吹出；Br₂的沸点高于Cl₂，因Br₂相对分子质量更大，分子间作用力更强。（3）n(Br⁻)=1000L×0.067g/L÷80g/mol=0.08375mol，n(Br₂)=0.041875mol，质量m=0.041875mol×160g/mol=6.7g。情境问题6：新型电池材料的制备情境描述：磷酸亚铁锂（LiFePO₄）是锂离子电池的正极材料，可通过FePO₄与Li₂CO₃在高温下反应制备，同时生成CO₂。回答下列问题：（1）写出该反应的化学方程式，并判断Fe元素的化合价变化。（2）若产物中混有Fe³⁺杂质，用H₂C₂O₄将其还原为Fe²⁺，写出离子方程式。（3）比较LiFePO₄与传统正极材料LiCoO₂的环境友好性。解析：（1）化学方程式为[2\text{FePO}_4+\text{Li}_2\text{CO}_3+\text{C}\xrightarrow{\Delta}2\text{LiFePO}_4+2\text{CO}_2\uparrow]，Fe元素从+3价降至+2价。（2）离子方程式为[2\text{Fe}^{3+}+\text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4=2\text{Fe}^{2+}+2\text{CO}_2\uparrow+2\text{H}^+]。（3）LiFePO₄更环保，Fe、P元素无毒，而LiCoO₂中的Co为重金属元素，废弃后易造成污染。专题四：化学实验与探究情境问题7：食品抗氧化剂的性质探究情境描述：某实验小组探究维生素C（C₆H₈O₆）的抗氧化性，实验步骤如下：①向2mL0.1mol/LFeCl₃溶液中滴加2滴KSCN溶液，溶液变红；②加入维生素C溶液，红色褪去；③再滴加H₂O₂溶液，溶液重新变红。回答下列问题：（1）写出步骤②中维生素C与Fe³⁺反应的离子方程式。（2）解释步骤③中溶液重新变红的原因。（3）设计实验比较维生素C与亚硫酸钠的还原性强弱。解析：（1）离子方程式为[\text{C}_6\text{H}_8\text{O}_6+2\text{Fe}^{3+}=\text{C}_6\text{H}_6\text{O}_6+2\text{Fe}^{2+}+2\text{H}^+]（维生素C被氧化为脱氢抗坏血酸）。（2）H₂O₂将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，Fe³⁺与SCN⁻重新结合生成红色Fe(SCN)₃。（3）实验方案：向等浓度的FeCl₃溶液中分别加入等体积的维生素C和Na₂SO₃溶液，若维生素C组红色褪去更快，则其还原性更强。情境问题8：工业废水的处理情境描述：某工厂废水中含有Cr₂O₇²⁻，需用还原沉淀法处理：[\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}\xrightarrow{\text{H}^+,\text{Fe}^{2+}}\text{Cr}^{3+}\xrightarrow{\text{OH}^-}\text{Cr(OH)}_3\downarrow]（1）写出Cr₂O₇²⁻与Fe²⁺反应的离子方程式（酸性条件下）。（2）若处理后的废水中Cr³⁺浓度为1×10⁻⁵mol/L，计算此时溶液的pH（已知Ksp[Cr(OH)₃]=6.3×10⁻³¹）。（3）简述如何检验废水中Cr₂O₇²⁻是否已完全被还原。解析：（1）离子方程式为[\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}+6\text{Fe}^{2+}+14\text{H}^+=2\text{Cr}^{3+}+6\text{Fe}^{3+}+7\text{H}_2\text{O}]。（2）由Ksp[Cr(OH)₃]=[Cr³⁺][OH⁻]³=6.3×10⁻³¹，得[OH⁻]=³√(6.3×10⁻³¹/1×10⁻⁵)=³√6.3×10⁻²⁶≈4×10⁻⁹mol/L，pH=14-pOH≈5.6。（3）取少量处理后的废水，加入稀硫酸酸化后滴加K₂Cr₂O₇溶液，若不变色，则Cr₂O₇²⁻已完全还原；若变为橙色，则未完全还原。专题五：化学计算与定量分析情境问题9：化肥中氮含量的测定情境描述：某品牌尿素[CO(NH₂)₂]化肥中可能混有NH₄NO₃。为测定氮含量，取1.2g样品溶于水，加入足量NaOH溶液并加热，收集到0.336LNH₃（标准状况）。回答下列问题：（1）计算样品中NH₄NO₃的质量分数。（2）若实验中未冷却至室温就读数，会导致测定结果偏高还是偏低？（3）写出尿素与H₂SO₄反应的化学方程式，并计算中和10g尿素所需0.5mol/LH₂SO₄溶液的体积。解析：（1）n(NH₃)=0.336L÷22.4L/mol=0.015mol，设NH₄NO₃的物质的量为x，CO(NH₂)₂的物质的量为y，则：[x+2y=0.015\quad(\text{氮原子守恒})][80x+60y=1.2]解得x=0.0075mol，y=0.00375mol，NH₄NO₃质量分数为[(0.0075×80)/1.2×100%=50%]。（2）未冷却导致NH₃体积偏大，测定结果偏高。（3）反应方程式为[\text{CO(NH}_2\text{)}_2+\text{H}_2\text{SO}_4+\text{H}_2\text{O}=(\text{NH}_4\text{)}_2\text{SO}_4+\text{CO}_2\uparrow]，n(尿素)=10g÷60g/mol=1/6mol，n(H₂SO₄)=1/6mol，V=1/6mol÷0.5mol/L≈0.333L=333mL。情境问题10：化学反应速率的测定情境描述：某实验小组用酸性KMnO₄溶液与H₂C₂O₄溶液反应测定反应速率：[2\text{MnO}_4^-+5\text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4+6\text{H}^+=2\text{Mn}^{2+}+10\text{CO}_2\uparrow+8\text{H}_2\text{O}]实验数据如下：|实验编号|温度/℃|c(KMnO₄)/mol/L|c(H₂C₂O₄)/mol/L|褪色时间/s||----------|--------|----------------|-----------------|------------||①|25|0.01|0.1|120||②|35|0.01|0.1|60||③|25|0.02|0.1|240|（1）计算实验①中以MnO₄⁻表示的平均反应速率（假设溶液体积为50mL）。（2）比较实验①和②，说明温度对反应速率的影响。（3）实验③中褪色时间延长的原因是什么？解析：（1）n(MnO₄⁻)=0.01mol/L×0.05L=0.0005mol，v=0.0005mol÷0.05L÷120s≈8.33×10⁻⁵mol/(L·s)。（2）温度升高10℃，反应速率加快1倍，说明温度升高使活化分子百分数增加，有效碰撞频率增大。（3）c(KMnO₄)增大但H₂C₂O₄浓度不变，MnO₄⁻过量，H₂C₂O₄先消耗完，故褪色时间延长。专题六：化学与STSE（科学、技术、社会、环境）情境问题11：新型能源材料的开发情境描述：钙钛矿太阳能电池的核心材料为CH₃NH₃PbI₃，其能量转化效率可达25%。回答下列问题：（1）写出CH₃NH₃⁺的电子式，并指出其中的化学键类型。（2）若电池工作时发生反应[\text{CH}_3\text{NH}_3\text{PbI}_3\rightarrow\text{PbI}_2+\text{CH}_3\text{NH}_2+\text{HI}]，判断该反应是否为氧化还原反应。（3）简述钙钛矿材料的优缺点，并提出改进方向。解析：（1）CH₃NH₃⁺的电子式为[[\text{CH}_3\text{NH}_3]^+]，其中含有极性共价键（C-H、N-H）和非