基于高中知識(shí)及方法解答第38屆化學(xué)奧林匹克(初賽)第7題

化學(xué)奧林匹克競(jìng)賽致力于發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)學(xué)科優(yōu)秀人才，促進(jìn)化學(xué)教學(xué)新思想與新方法的交流，推動(dòng)中學(xué)與大學(xué)的化學(xué)教學(xué)改革，提高化學(xué)教學(xué)水平.

第38屆化學(xué)奧林匹克（初賽）第7題以 的空氣捕集和富集為背景，題目涵蓋內(nèi)容豐富，設(shè)問(wèn)角度多樣，較好地考查了學(xué)生在問(wèn)題解決過(guò)程中思維的系統(tǒng)性、靈活性和邏輯性.該題大部分問(wèn)題只要能熟練應(yīng)用高中知識(shí)和方法就可以順利解答，具有一定的導(dǎo)向作用，本文基于高中知識(shí)及方法詳細(xì)分析該題

1題目及參考答案

題目 的空氣捕集和富集.

空氣中的 體積分?jǐn)?shù)僅為 4 0 0p p m （ p p m ：百萬(wàn)分之一）.對(duì)空氣中的 進(jìn)行捕集和富集，是實(shí)現(xiàn) 封存或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為其他有用產(chǎn)物的關(guān)鍵步驟.

7-1聚乙烯胺是常用的 捕集材料，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.在有/無(wú)水蒸氣存在的條件下，其結(jié)構(gòu)中一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)胺捕集 的機(jī)理并不完全相同.

7-1-1寫出 ① 有水蒸氣和 ② 無(wú)水蒸氣存在的條件下，一級(jí)胺（ ）實(shí)現(xiàn)最大 捕集量對(duì)應(yīng)的化學(xué)方程式.

7-1-2寫出 ① 有水蒸氣和 ② 無(wú)水蒸氣存在的條件下，三級(jí)胺中每個(gè)胺基最多能夠捕集的 的數(shù)量.

7-1-3某種有機(jī)胺在 2 9 8 K， 1 atm下可以吸收空氣中的 ，吸收 的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓變 且與溫度無(wú)關(guān).室溫下用有機(jī)胺吸收空氣中的 ，而后升溫釋放 可實(shí)現(xiàn) 的富集.若加熱釋放的 分壓為 1a t m ，計(jì)算此時(shí)體系的溫度.

7-2如圖2所示，銨鹽型堿性離子交換樹脂也可以吸收 ，并通過(guò)改變濕度的方法使吸收的 脫出.低濕度下樹脂具有 吸收能力，通過(guò)反應(yīng)1吸收 ；通入水蒸氣增加濕度后，會(huì)釋放部分吸收的 （反應(yīng)2）;降低濕度可以使樹脂再生 吸收能力（反應(yīng)3）.圖中A、B、C、D代表與銨鹽以化學(xué)鍵或物理吸附方式結(jié)合的分子或離子.它們可能相同，也可能不同.

7-2-1寫出A、B、C、D代表的物種.

7-2-2 解釋在反應(yīng)2中，增加濕度為何會(huì)使 釋放.

7-3科學(xué)家發(fā)明了一種由陰離子交換樹脂碳納米管構(gòu)成的膜分離裝置（如圖3）可以連續(xù)去除空氣中的 ，在富集 的同時(shí)獲得基本不含 的空氣.

除去 的空氣可用于堿性燃料電池.這種薄膜兼具離子和電子傳導(dǎo)性能，膜的A側(cè)通入含 的空氣，B側(cè)通入少量 ；經(jīng)過(guò)反應(yīng)后，A側(cè)得到基本不含 的空氣， 轉(zhuǎn)化成了 ;B側(cè)得到較高濃度的

7-3-1寫出A側(cè) 轉(zhuǎn)化成 和B側(cè)釋放 的反應(yīng)方程式.

7-3-2復(fù)合膜中加入碳納米管的作用是什么？

7-3-3 對(duì)該分離裝置工作原理描述正確的是（ ）.

a.需要外加電源供電

b.本質(zhì)上是燃料電池，會(huì)對(duì)外供電c.既不需要外加電源，也不對(duì)外供電d.以上說(shuō)法都不對(duì)

7-3-4該裝置在 2 9 8 K 條件下工作，通入的空氣和 壓力均為1.0bar.A側(cè)的空氣流量為3.00 ，其中 的濃度為 4 0 0p p m ，要將空氣中 的濃度降低至 4p p m ，計(jì)算B側(cè)通入的氫氣流量至少需要多少？

參考答案

7-1-1 （或

）； RNHCOOH.7-1-2 ①1 個(gè)； ②0 個(gè).7-1-3 5 7 8K 7-2-1 ； ； ； 7-2-2 高濕度通過(guò)水合作用（或氫鍵）穩(wěn)定

（或高濕度條件下 不穩(wěn)定）.7-3-1 A側(cè)：

；B側(cè)： 7-3-2 使復(fù)合膜具有電子傳輸能力（或增加復(fù)合

膜的導(dǎo)電性）.7-3-3 C.7-3-4 （204號(hào)

2 題目解析

【7-1-1】有水蒸氣條件下，一級(jí)胺（ ）實(shí)現(xiàn)最大 捕集量反應(yīng)的分析可以關(guān)聯(lián)人教版選擇性必修3中氨基酸的介紹：“氨基酸分子中既含有羧基，又含有氨基.羧基是酸性基團(tuán)，氨基是堿性基團(tuán)，因此氨基酸是兩性化合物，能與酸、堿反應(yīng)生成鹽.\"教材給出氨基酸與酸的反應(yīng)為

在有水條件下可認(rèn)為 與水反應(yīng)生成 ，一級(jí)胺與 反應(yīng)，最大捕集量對(duì)應(yīng)二者1：1反應(yīng)生成碳酸氫鹽： .該問(wèn)還可以類比氨水與 的反應(yīng)（ ）得出答案.

無(wú)水條件下的反應(yīng)可以結(jié)合教材給出的醛基與HCN的加成分析（如圖4）.

（2）與HCN加成

在醛基的碳氧雙鍵中，由于氧原子的電負(fù)性較大，碳氧雙鍵中的電子偏向氧原子，使氧原子帶部分負(fù)電荷，碳原子帶部分正電荷，從而使醛基具有較強(qiáng)的極性。

乙醛也能和一些極性試劑發(fā)生加成反應(yīng)。例如，乙醛能與氰化氫（HCN）發(fā)生加成反應(yīng)。

與之類似，胺中N—H鍵斷裂與 其中一個(gè)碳氧雙鍵發(fā)生加成，生成胺甲酸： RNHCOOH（如圖5）.

可見，該題不用深層考慮有機(jī)反應(yīng)機(jī)理，僅用高中知識(shí)和規(guī)律就可以順利解答.

【7-1-2】根據(jù)7-1-1的分析可知，有水蒸氣時(shí)，三級(jí)胺和一級(jí)胺一樣可生成碳酸氫鹽，二者1：1反應(yīng)；無(wú)水蒸氣時(shí)，三級(jí)胺無(wú)N一H鍵，不能與 加成.

【7-1-3】順利解答該問(wèn)需要運(yùn)用初賽大綱要求的范特霍夫方程：

該方程可由 （中學(xué)教材有介紹）及 （中學(xué)教材無(wú)介紹）推導(dǎo)而來(lái).如果不熟悉范特霍夫方程不容易解答，但是基于高中學(xué)習(xí)也有突破方法.

該題中存在轉(zhuǎn)化： （吸附） （釋放），1 mol 的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓變 + 4 0k J .298K時(shí)，有

某溫度時(shí) atm.顯然求解此時(shí)體系溫度需要知道溫度與 K 的關(guān)系，而二者的關(guān)系在近年多省高考題中有所考查.

例如，2023年湖北卷第19題（5），題目明確給出：已知本實(shí)驗(yàn)條件下， 為理想氣體常數(shù)， c 為截距）.如果有這個(gè)知識(shí)積累，則可以列出ln 及1 ，進(jìn)而進(jìn)行簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)運(yùn)算就可以順利解答該問(wèn).

另外，人教版、魯科版教材關(guān)于溫度與 K 的關(guān)系均基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出，隨著化學(xué)教學(xué)的不斷發(fā)展，一些學(xué)生渴望從本質(zhì)了解二者的關(guān)系.部分教師在化學(xué)平衡新課學(xué)習(xí)中嘗試給出范特霍夫方程，學(xué)生結(jié)合簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)知識(shí)就可以直接快速判斷溫度與 K 的關(guān)系，由實(shí)驗(yàn)證據(jù)分析轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚摲治觯〉幂^好的學(xué)習(xí)效果.

【7-2-1】反應(yīng)1中，A、B與 連接，必須是帶1個(gè)單位負(fù)電荷的陰離子，B是 與 反應(yīng)生成的 ，A依然是 ；反應(yīng)2中，注意C與樹脂上兩個(gè) 連接，是帶2個(gè)單位負(fù)電荷的陰離子，D不與 連接，為中性分子，再由 失去 聯(lián)想到 分解生成 和水，可以判斷C為 ，D為水；反應(yīng)3為 轉(zhuǎn)化為 和 ，類似于 水解.

【7-2-2】在反應(yīng)2中，增加濕度會(huì)釋放 ，即濕度增大促進(jìn)轉(zhuǎn)化： ，解答該問(wèn)可以從 遇水穩(wěn)定或 遇水不穩(wěn)定兩個(gè)角度分析.

從中學(xué)已有性質(zhì)思考， 在水中的溶解度遠(yuǎn)大于 ，推知 可以與水形成更好的作用力（氫鍵），而 因自身可形成分子內(nèi)氫鍵，與水形成氫鍵并不充分，因而溶解度遠(yuǎn)不如 據(jù)此可知，水可以通過(guò)氫鍵穩(wěn)定 ，濕度增大促進(jìn) 向 轉(zhuǎn)化.

另外， 可與水形成六元環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖6所示，這樣的結(jié)構(gòu)容易進(jìn)一步發(fā)生脫羧反應(yīng)，即濕度增大會(huì)降低 的穩(wěn)定性.

【7-3-1】該裝置為簡(jiǎn)單的原電池裝置，正極（A側(cè)）得電子物質(zhì)為 ，負(fù)極（B側(cè)）失電子物質(zhì)為 ，傳導(dǎo)離子為 ，按照高中電極反應(yīng)式的書寫方法就可以順利作答.

A側(cè)：

B側(cè)：

當(dāng)然，利用電化學(xué)原理富集 也是高中學(xué)生較為熟悉的情境，在近幾年模擬題中頻繁考查，圖7所示是各省市模擬題中的兩例裝置，與本問(wèn)極為相似.

【7-3-2】原電池的構(gòu)成包括離子導(dǎo)體和電子導(dǎo)體，圖8為魯科版必修2給出的原電池結(jié)構(gòu).結(jié)合信息“這種薄膜兼具離子和電子傳導(dǎo)性能”，可以判斷離子交換樹脂用于傳導(dǎo)離子，碳納米管用于傳導(dǎo)電子.另外，人教版選修2教材中介紹道：“石墨中由于所有未雜化的p軌道相互平行而且相互重疊，使p軌道中的電子可在整個(gè)碳原子平面中運(yùn)動(dòng).因此，石墨有類似金屬晶體的導(dǎo)電性.\"如果學(xué)生熟悉石墨的導(dǎo)電原理，很容易理解碳納米管的導(dǎo)電原理.

【7-3-3】該膜分離裝置總反應(yīng) 是自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，可形成原電池，但是反應(yīng)釋放的能量已經(jīng)用于驅(qū)動(dòng) 逆濃度遷移（非自發(fā)），無(wú)過(guò)多能量對(duì)外供電，因此該裝置既不需要外加電源，也不對(duì)外供電.

這道題提到“除去 的空氣可用于堿性燃料電池”，部分學(xué)生由于未準(zhǔn)確辨別該信息而誤選b，其實(shí)這句話與該膜分離裝置并無(wú)關(guān)系.

【7-3-4】這是一道簡(jiǎn)單的關(guān)系式計(jì)算題，根據(jù)7-3-1A側(cè)和B側(cè)的電極反應(yīng)式可以得到物質(zhì)之間的比例關(guān)系： .題中壓強(qiáng)一定，氣體體積比就是物質(zhì)的量比，直接利用比例關(guān)系求解：

3啟示與建議

初賽第7題的命制與解答給予競(jìng)賽培訓(xùn)一定的啟發(fā)和思考.對(duì)此，筆者提出以下幾點(diǎn)建議.

3.1 重視高中知識(shí)

本題原始分?jǐn)?shù)32分中，至少有26分與高中學(xué)習(xí)呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)，全題解答與高中化學(xué)的關(guān)聯(lián)如表1所示，競(jìng)賽是中學(xué)學(xué)習(xí)的自然生長(zhǎng)與延伸，在競(jìng)賽培訓(xùn)中要有整體布局，重視二者的關(guān)聯(lián)與進(jìn)階，由高中學(xué)習(xí)穩(wěn)步過(guò)渡至競(jìng)賽學(xué)習(xí)，切勿好高騖遠(yuǎn)、眼高手低，只著眼于高難度知識(shí)和練習(xí).

3.2 強(qiáng)化閱讀能力

第37、38屆初賽試卷結(jié)構(gòu)有較大調(diào)整，題目閱讀量明顯增大，因此增強(qiáng)閱讀能力也是未來(lái)備考重點(diǎn)之一.具體到本題，解題過(guò)程中需要準(zhǔn)確快速獲取諸多關(guān)鍵信息，如表2所示.選擇恰當(dāng)?shù)拈喿x材料，找準(zhǔn)閱讀材料與教學(xué)的契合點(diǎn)，提供科學(xué)閱讀體驗(yàn)，或成為化學(xué)競(jìng)賽教學(xué)重要組成部分.同時(shí)，學(xué)生應(yīng)擴(kuò)展閱讀范圍，汲取營(yíng)養(yǎng)，拓寬視野，逐步培養(yǎng)學(xué)生基于情境的信息獲取、理解辨析、歸納總結(jié)和推理論證能力.

第38屆奧林匹克（初賽）對(duì)解釋類題目限定20字以內(nèi)作答，這也要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中要關(guān)注表述的精準(zhǔn)與簡(jiǎn)練.

3.3注重思維訓(xùn)練

初賽注重對(duì)科學(xué)思維的考查，要求學(xué)生能夠靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析復(fù)雜真實(shí)學(xué)科問(wèn)題.科學(xué)思維作為一種高度抽象且關(guān)鍵的高階能力，其培養(yǎng)與發(fā)展需要教學(xué)過(guò)程中的精心設(shè)計(jì)與引導(dǎo).教師應(yīng)當(dāng)努力創(chuàng)設(shè)既真實(shí)又富有啟發(fā)性的問(wèn)題情境，鼓勵(lì)學(xué)生深人思考，讓他們實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維從內(nèi)隱到外顯的轉(zhuǎn)化.

近幾年命題呈現(xiàn)出明顯變革趨勢(shì)，題目取材追求嚴(yán)謹(jǐn)與趣味的平衡、經(jīng)典與前沿的平衡，強(qiáng)化學(xué)科思維方法的考查，逐步形成中國(guó)化學(xué)奧林匹克競(jìng)賽思維，考題的變化讓競(jìng)賽學(xué)習(xí)成為興趣使然，而非功利驅(qū)使，有利于學(xué)科創(chuàng)新人才的選拔和培養(yǎng)，契合中國(guó)奧林匹克競(jìng)賽的精神與初衷.

本文系北京市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2024年度課題“化學(xué)拔尖創(chuàng)新人才貫通培養(yǎng)研究”（CDEB24421）階段性研究成果.

（完）