《2025年天星教育试题调研化学第9辑》

原创预测1 中国科学院和郑州大学的科研人员发明了一种利用CuTa⁺介导催化CH₄和CO₂耦联形成乙烯酮(CH₂=C=O)的方法，对温室气体的控制与资源化利用具有重要意义，该方法的反应机理如图所示。下列说法正确的是


A.乙烯酮中碳原子的杂化类型和丙炔中碳原子的杂化类型相同
B.该反应的中间产物有H₂和H₂O
C.总反应式为CH₄ + CO₂ = CH₂CO + H₂O
D.CH₄和H₂O的VSEPR模型相同，但CH₄的键角小于H₂O的键角

答案： 解析 乙烯酮(CH₂=C=O)中有1个碳原子形成2个双键，采取sp杂化，另1个碳原子形成1个双键和2个单键，采取sp²杂化；丙炔(CH₃ - C≡CH)中有2个碳原子均形成1个单键和1个三键，采取sp杂化，剩余1个碳原子形成4个单键，采取sp³杂化，A错误。由题图可知，H₂O在反应历程中只生成不消耗，为产物，而H₂先生成后被消耗，为中间产物，故该反应的中间产物只有H₂，B错误。根据题图可知，该反应的反应物为CH₄和CO₂，产物【口诀速记】催化剂“先消耗，后生成，反应前后不变样”，中间产物“先生成，后消耗，反应结束找不到”。CH₂CO为和H₂O，则总反应式为CH₄ + CO₂ = CH₂CO + H₂O，C正确。CH₄和H₂O的VSEPR模型都是四面体形，但CH₄的中心碳原子上没有孤电子对，H₂O的中心氧原子上有两对孤电子对，孤电子对对成键电子对的斥力大于成键电子对间的斥力，导致键角变小，所以CH₄的键角大于H₂O的，D错误。

原创预测2 在全球气候变化背景下，二氧化碳减排与综合利用已成为科研领域的焦点，我国科研人员高度重视相关研究工作，全力推进“双碳”目标的实现。目前，围绕二氧化碳转化利用的研究不断深入，旨在探寻高效、可持续的技术路径。其中，对CO₂和H₂在特定催化剂表面合成甲醇[CO₂(g) + 3H₂(g) ⇌ CH₃OH(g) + H₂O(g) ΔH]的研究已取得了突破性的进展，其反应历程如图所示，吸附在催化剂表面的物种用*标注。


A.该反应在高温下一定能自发进行
B.升高温度，基元反应HCOO* + 5H* = HCOOH + 4H*的正反应速率增加的程度小于逆反应速率增加的程度
C.最后一步基元反应过程中有极性键的断裂和生成
D.基元反应CH₂O* + H* = CH₃O*是快反应

答案： 解析 由题图可知，反应物的总能量高于生成物的总能量，说明该反应是放热反应，即ΔH ＜ 0；该反应为反应前后气体分子数减小的反应，即ΔS ＜ 0，由ΔG = ΔH - TΔS ＜ 0时反应自发进行可知，该反应在低温下能自发进行，在高温下不一定能自发进行，A错误。基元反应HCOO* + 5H* = HCOOH + 4H*中，反应物的总能量低于生成物的总能量，说明该基元反应吸热，升高温度，正、逆反应速率均增加，平衡向正反应方向移动，故正反应速率增加的程度比逆反应速率增加的程度大，B错误。最后一步基元反应是OH* + H* = H₂O*，此过程中形成氢氧键，只有极性键的生成，没有极性键的断裂，C错误。从题图中可以看出，CH₂O* + OH* + 3H* → CH₃O* + OH* + 2H*的过程能垒最低，即CH₂O* + H* = CH₃O*是该反应历程中活化能最小的反应，是快反应，D正确。
【易错警示】过渡态物质总能量和反应物总能量的差值为活化能，“峰”越高活化能越大，“峰”越低活化能越小。