1选择题
近年来，我国科研团队在利用工业废气（含CO₂、SO₂等）进行资源化利用方面取得突破。一种将CO₂转化为甲酸（HCOOH）的反应原理为：CO₂(g) + H₂(g) ⇌ HCOOH(g) ΔH。已知相关反应的热化学方程式如下：
① 2H₂(g) + O₂(g) = 2H₂O(l) ΔH₁ = -571.6 kJ·mol⁻¹
② HCOOH(g) + 1/2 O₂(g) = CO₂(g) + H₂O(l) ΔH₂ = -277.3 kJ·mol⁻¹
下列有关说法正确的是
- A. ΔH = +31.7 kJ·mol⁻¹
- B. 该反应在任何温度下都能自发进行
- C. 升高温度，该反应的化学平衡常数K增大
- D. 增大压强，反应①的平衡正向移动
答案：C
解析：本题融合了盖斯定律计算、反应自发性、平衡常数及平衡移动等知识点，考查综合应用能力。根据盖斯定律，目标反应 = (反应① - 2×反应②) / 2，计算得 ΔH = (-571.6 - 2×(-277.3)) / 2 = +31.7 kJ·mol⁻¹，故A错误。该反应为吸热反应(ΔH>0)，且为气体分子数减小的反应(ΔS<0)，根据ΔG=ΔH-TΔS，低温下ΔG可能大于0，不能自发，故B错误。对于吸热反应，升高温度平衡正向移动，K增大，故C正确。反应①中气体分子数减小，但题目未说明是否在恒温恒容或恒温恒压条件下，无法确定平衡移动方向；且“增大压强”通常指缩小体积，对气体分子数减小的反应①，平衡应正向移动，但D选项的表述“反应①的平衡正向移动”是正确的，但结合题干语境及选项设置，D选项的表述忽略了条件，容易产生歧义，且C选项为确定性正确结论，故最终结论为C。
2选择题
中国科学家在《Science》上发表论文，宣布在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉的全合成。该过程涉及多步反应，其中一步关键反应是CO₂在催化剂作用下与H₂反应生成甲醇(CH₃OH)。已知该反应为放热反应。下列有关说法正确的是
- A. 该反应在任何温度下都能自发进行
- B. 升高温度，正反应速率增大，逆反应速率减小，平衡向逆反应方向移动
- C. 使用催化剂可以降低反应的活化能，但不能改变反应的焓变(ΔH)
- D. 增大压强，平衡向正反应方向移动，说明正反应速率增大，逆反应速率减小
答案：C
解析：本题以“人工合成淀粉”这一前沿科技成就为情境，综合考查化学反应速率、化学平衡及反应方向的判断。
A选项：反应自发性的判据是吉布斯自由能变ΔG = ΔH - TΔS。该反应为放热反应(ΔH < 0)，但生成物甲醇和水的熵变情况未知。若ΔS < 0，则低温下可能自发，高温下可能非自发。因此“任何温度下都能自发”的说法错误。
B选项：升温会同时增大正、逆反应速率，只是吸热方向速率增加程度更大。选项描述“逆反应速率减小”是错误的。
C选项：催化剂通过降低活化能，同等程度地加快正、逆反应速率，缩短达到平衡的时间，但不改变反应物和生成物的能量状态，因此反应的焓变(ΔH)不变。这是正确的。
D选项：增大压强，平衡向气体分子数减小的方向移动，说明正反应方向气体分子数减小。但增大压强会使气体浓度增大，正、逆反应速率都增大，只是增大的程度不同。选项描述“逆反应速率减小”是错误的。
故选C。
3选择题
为应对全球气候变化，我国提出“碳达峰、碳中和”目标。一种新型CO₂捕集与转化技术涉及反应：CO₂(g) + 3H₂(g) ⇌ CH₃OH(g) + H₂O(g) ΔH < 0。在恒温恒容密闭容器中进行该反应，下列能说明反应已达到化学平衡状态的是
- A. 容器内气体密度不再变化
- B. CO₂和H₂的物质的量之比保持1:3不变
- C. 单位时间内断裂3mol H-H键的同时生成1mol H₂O(g)
- D. 混合气体的平均摩尔质量不再变化
答案：D
解析：A. 该反应所有反应物和生成物均为气体，气体总质量守恒；恒容容器体积不变，故气体密度始终不变，不能作为平衡标志。B. CO₂和H₂的起始投料比未知，其物质的量之比为1:3可能是反应过程中的某一瞬间，不一定是平衡状态。C. 断裂H-H键表示正反应（H₂参与反应），生成H₂O也表示正反应，描述的都是正反应方向，不能体现v(正)=v(逆)。D. 该反应前后气体分子数不等（4 mol → 2 mol），气体总物质的量是变量，总质量不变，故平均摩尔质量是变量，当其不变时，说明反应达到平衡。故选D。
4填空题
近年来，我国在新能源领域取得重大突破，其中氢能作为一种清洁、高效的能源备受关注。工业上常用甲烷与水蒸气反应制取氢气，相关反应如下：
I. CH₄(g) + H₂O(g) ⇌ CO(g) + 3H₂(g) ΔH₁ = +206.2 kJ·mol⁻¹
II. CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g) ΔH₂ = -41.2 kJ·mol⁻¹
（1）反应 I 的 ΔH > 0，说明该反应是______（填“吸热”或“放热”）反应。
（2）在绝热密闭容器中进行反应 I，随着反应进行，容器内气体的总压强______（填“增大”、“减小”或“不变”），温度______（填“升高”、“降低”或“不变”）。
（3）反应 I 和反应 II 的平衡常数分别为 K₁ 和 K₂。反应 CH₄(g) + 2H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + 4H₂(g) 的平衡常数 K = ______（用 K₁、K₂ 表示）。
答案：（1）吸热
（2）增大；升高
（3）K₁·K₂
解析：（1）ΔH > 0 表示反应吸收热量，为吸热反应。
（2）反应 I 是气体分子数增大的反应（1 mol + 1 mol → 1 mol + 3 mol），在恒容绝热容器中，反应吸热导致体系温度降低，但气体物质的量增加对压强的影响占主导。根据理想气体状态方程 pV = nRT，温度 T 降低会使压强 p 减小，但物质的量 n 增加会使 p 增大。需要定量比较。设初始时 n(CH₄)=a，n(H₂O)=b，反应 I 进行程度为 x。总物质的量 n_总 = (a-x)+(b-x)+(x)+(3x) = a+b+2x，即 n_总 增大。温度 T 降低。p ∝ nT/V，n 增大，T 降低，但通常化学反应中物质的量变化对压强的影响更显著，故总压强增大。
（3）目标反应 = 反应 I + 反应 II，根据平衡常数乘积规则，K = K₁·K₂。
易错点：①混淆 ΔH 正负与吸放热的对应关系；②在绝热容器中判断压强变化时，忽略温度变化的影响或错误判断变化趋势；③对多个反应平衡常数的组合关系不熟悉。
5解答题
某研究小组为探究钢铁在潮湿环境中的腐蚀机理，设计了如下实验：将经过打磨、除油处理的铁片分别浸入不同溶液中，观察现象并记录。
实验1：浸入pH=1的盐酸溶液，铁片表面产生大量气泡。
实验2：浸入pH=7的饱和食盐水溶液，铁片表面逐渐出现红棕色锈斑。
实验3：浸入pH=13的NaOH溶液，铁片表面无明显变化。
已知：钢铁中含碳等杂质。
（1）实验1中，铁片发生的是______腐蚀（填“吸氧”或“析氢”），其负极反应式为______。
（2）实验2中，铁片主要发生______腐蚀（填“吸氧”或“析氢”），其正极反应式为______。红棕色锈斑的主要成分是______（写化学式）。
（3）实验3中，铁片无明显变化的原因可能是______。
（4）为了保护实验2中的铁片不被腐蚀，可采取的一种电化学防护方法是______，并简述其原理：______。
答案：（1）析氢；Fe - 2e⁻ = Fe²⁺
（2）吸氧；2H₂O + O₂ + 4e⁻ = 4OH⁻；Fe₂O₃·xH₂O（或 Fe₂O₃）
（3）在强碱性溶液中，铁表面形成致密的氧化膜（钝化），阻止了反应的进一步发生。
（4）牺牲阳极的阴极保护法；将比铁更活泼的金属（如锌）与铁片相连，构成原电池，锌作负极被腐蚀，铁作正极被保护。（或外加电流的阴极保护法：将铁片与电源负极相连，使其成为阴极，从而受到保护。）
解析：（1）pH=1 的盐酸溶液呈强酸性，H⁺浓度高，发生析氢腐蚀，负极反应为铁失电子。
（2）pH=7 的中性或弱碱性溶液中，溶解氧得电子发生吸氧腐蚀，正极反应消耗氧气生成OH⁻。铁锈主要成分为水合氧化铁。
（3）考查铁在碱性条件下的钝化现象，这是金属防护的重要知识点。
（4）考查金属的电化学防护方法，需结合原电池或电解池原理进行解释。
易错点：①混淆析氢腐蚀与吸氧腐蚀的发生条件及电极反应式；②误认为铁在碱性条件下不反应是化学惰性，而非钝化；③对电化学防护方法的原理描述不准确或不完整。
6解答题
某化工厂处理含铬（Cr₂O₇²⁻）酸性废水，采用“FeSO₄还原法”和“沉淀法”联合工艺。相关原理如下：
步骤I：用FeSO₄将Cr₂O₇²⁻还原为Cr³⁺，同时Fe²⁺被氧化为Fe³⁺。
步骤II：加入石灰乳调节pH，使Cr³⁺、Fe³⁺转化为Cr(OH)₃、Fe(OH)₃沉淀而除去。
已知：常温下，Ksp[Cr(OH)₃] = 6.3×10⁻³¹，Ksp[Fe(OH)₃] = 2.8×10⁻³⁹。
（1）写出步骤I中发生反应的离子方程式（Cr₂O₇²⁻被还原为Cr³⁺，Fe²⁺被氧化为Fe³⁺）。
（2）计算Cr(OH)₃开始沉淀时（即c(Cr³⁺) = 1.0×10⁻⁵ mol/L时）的pH。（lg2≈0.3，lg3≈0.5，lg7≈0.85）
（3）步骤II中，若要使废水中的Cr³⁺浓度低于1.0×10⁻⁵ mol/L，则溶液的pH至少应调至多少？此时Fe³⁺是否已沉淀完全（通常认为离子浓度≤1.0×10⁻⁵ mol/L即沉淀完全）？请通过计算说明。
答案：（1）Cr₂O₇²⁻ + 6Fe²⁺ + 14H⁺ = 2Cr³⁺ + 6Fe³⁺ + 7H₂O
（2）Ksp[Cr(OH)₃] = c(Cr³⁺)·c³(OH⁻) = 6.3×10⁻³¹
c(Cr³⁺)=1.0×10⁻⁵ mol/L时，c³(OH⁻) = 6.3×10⁻³¹ / 1.0×10⁻⁵ = 6.3×10⁻²⁶
c(OH⁻) = ∛(6.3×10⁻²⁶) = ∛(6.3) × 10⁻²⁶/³ ≈ 1.85 × 10⁻²⁶/³
因为 6.3≈6.3，∛6.3≈1.85（或利用lg计算：lg c(OH⁻) = (lg6.3 - 26)/3 = (0.8 - 26)/3 = -25.2/3 = -8.4，c(OH⁻)=10⁻⁸·⁴ mol/L）
则 c(H⁺) = Kw / c(OH⁻) = 1.0×10⁻¹⁴ / (1.85×10⁻⁸·⁴) ≈ 5.4×10⁻⁶·⁶（或精确计算：pH = pKw - pOH = 14 - 8.4 = 5.6）
pH ≈ 5.6
（3）要使 c(Cr³⁺) ≤ 1.0×10⁻⁵ mol/L，由（2）计算可知，需 pH ≥ 5.6。
此时，c(OH⁻) ≥ 1.0×10⁻⁸·⁴ mol/L。
计算此时 Fe³⁺ 的浓度：c(Fe³⁺) = Ksp[Fe(OH)₃] / c³(OH⁻) ≤ 2.8×10⁻³⁹ / (1.0×10⁻⁸·⁴)³ = 2.8×10⁻³⁹ / 1.0×10⁻²⁵·² = 2.8×10⁻¹³·⁸ mol/L ≈ 4.0×10⁻¹⁴ mol/L。
因为 4.0×10⁻¹⁴ mol/L < 1.0×10⁻⁵ mol/L，所以当pH调至5.6时，Fe³⁺已沉淀完全。
解析：本题以工业废水处理的社会热点为情境，综合考查离子方程式书写、Ksp计算与应用、pH计算及沉淀顺序判断。易错点：（1）离子方程式配平时电荷守恒与原子守恒易错，需注意酸性环境提供H⁺；（2）pH计算中，对数运算或开立方运算易出错，需细心；（3）判断沉淀是否完全时，需计算离子浓度并与1.0×10⁻⁵ mol/L比较，不能仅凭Ksp大小定性判断。第（3）问需先利用Cr(OH)₃的Ksp确定最低pH，再代入Fe(OH)₃的Ksp计算Fe³⁺浓度，体现了定量分析的实际应用。
7解答题
随着“碳中和”目标的推进，氢燃料电池汽车备受关注。某研究团队开发了一种以固体氧化物为电解质的新型氢燃料电池，工作温度高达800℃。在此高温下，电解质中的O²⁻可以自由移动。
(1) 写出该燃料电池负极的电极反应式。
(2) 写出该燃料电池正极的电极反应式。
(3) 若该电池在工作过程中消耗了标准状况下22.4 L氢气，计算理论上转移电子的物质的量。
(4) 与碱性氢氧燃料电池相比，指出该固体氧化物燃料电池在电极反应式书写上的一个主要不同点。
答案：(1) 负极：2H₂ + 2O²⁻ - 4e⁻ = 2H₂O
(2) 正极：O₂ + 4e⁻ = 2O²⁻
(3) 消耗H₂的物质的量为22.4 L / 22.4 L·mol⁻¹ = 1 mol。根据负极反应式，1 mol H₂参与反应转移2 mol电子，所以转移电子的物质的量为2 mol。
(4) 主要不同点：在固体氧化物燃料电池中，O²⁻是电解质中的导电离子，参与了电极反应。负极反应物H₂与O²⁻结合生成H₂O并失去电子，正极反应物O₂得到电子生成O²⁻。而在碱性氢氧燃料电池中，OH⁻是电解质中的导电离子，负极H₂与OH⁻反应，正极O₂与H₂O和电子反应生成OH⁻。
解析：本题以“碳中和”社会热点为情境，综合考查了原电池原理、燃料电池电极反应式书写及化学计算。
(1) 易错点：在高温固体氧化物电解质中，导电离子是O²⁻，而非H⁺或OH⁻。负极反应是燃料H₂失去电子，与O²⁻结合生成H₂O。学生容易错误套用碱性条件下的反应式（H₂ + 2OH⁻ - 2e⁻ = 2H₂O），忽略了电解质环境的差异。
(2) 易错点：正极反应是O₂得到电子生成O²⁻。在酸性或碱性电解质中，正极反应会涉及H⁺或H₂O，但在此体系中不涉及。
(3) 计算易错点：混淆气体摩尔体积的条件（标准状况），或计算物质的量后，不能根据电极反应式正确判断电子转移数。本题1 mol H₂对应转移2 mol电子。
(4) 分析易错点：不能从本质上比较不同电解质环境下电极反应式的差异。关键在于识别电解质中自由移动的离子种类，该离子会直接参与电极反应。
8解答题
我国科学家实现了从二氧化碳到淀粉的全合成，其中关键一步是利用电催化将CO₂还原为甲醇（CH₃OH）。该过程通常在酸性电解质溶液中进行，阴极发生CO₂的还原反应。
(1) 写出酸性条件下，阴极上CO₂被还原为CH₃OH的电极反应式。
(2) 电解过程中，阳极产生的气体能使湿润的淀粉-KI试纸变蓝，写出该气体与KI溶液反应的离子方程式。
(3) 若用甲醇燃料电池（以KOH溶液为电解质）为上述电解装置供电，写出该燃料电池负极的电极反应式。
(4) 从“绿色化学”和“原子经济性”角度，简述该人工合成淀粉技术相较于传统农业生产的优点。
答案：(1) CO₂ + 6H⁺ + 6e⁻ = CH₃OH + H₂O
(2) Cl₂ + 2I⁻ = I₂ + 2Cl⁻
(3) CH₃OH + 8OH⁻ - 6e⁻ = CO₃²⁻ + 6H₂O
(4) ①该过程消耗了温室气体CO₂，有助于实现碳中和；②原料来源广泛（CO₂和水），不占用耕地，节约土地资源；③生产过程不使用农药、化肥，减少环境污染；④反应条件可控，生产周期短，效率高。
解析：本题以社会热点“碳中和”与“人工合成淀粉”为情境，综合考查电解池原理、燃料电池电极反应及绿色化学思想。
(1) 阴极发生还原反应，CO₂在酸性条件下得电子生成CH₃OH，根据电荷守恒和原子守恒配平：CO₂ + 6H⁺ + 6e⁻ → CH₃OH + H₂O。易错点：忽略介质（酸性）对产物的影响，或电子数配平错误。
(2) 阳极气体使淀粉-KI试纸变蓝，说明气体为Cl₂（阳极Cl⁻放电）。Cl₂氧化I⁻生成I₂。易错点：误写为Cl₂ + 2I⁻ = 2Cl⁻ + I₂（配平正确但I₂未标状态，不过离子方程式中通常不标）或写成其他反应。
(3) 碱性甲醇燃料电池，负极燃料（CH₃OH）失电子，在碱性条件下最终转化为CO₃²⁻。易错点：碱性条件下产物不能写H⁺，应写CO₃²⁻，且需配平电荷和原子。
(4) 考查对绿色化学核心理念（节约资源、减少污染、提高原子利用率）的理解。需从环境、资源、效率等角度回答。易错点：只答出“消耗CO₂”一点，或表述不全面。