相关试卷

方法一：煤气化生成一氧化碳和二氧化碳。在高温、高压和“甲烷化催化剂”的作用下，一氧化碳与氢气反应生成甲烷和水，同样在高温、高压和“甲烷化催化剂”的作用下，二氧化碳与氢气反应也

生成甲烷和水，其中“甲烷化催化剂”在这两个化学反应过程中发挥着至关重要的作用。

方法二：开发煤层气。煤层气指储存在煤层中，以甲烷为主要成分的烃类物质，俗称“瓦斯”，是与煤伴生、共生的气体资源。

方法三：开发可燃冰。可燃冰的主要成分是甲烷水合物，甲烷水合物能稳定存在的压强和温度范围如图所示。可燃冰一旦离开海床便迅速分解，容易发生井喷意外，还可能会破坏地壳稳定平衡，引发海底塌方，导致大规模海啸，所以可燃冰的开采困难。

根据以上材料，回答下列问题：

研究显示：水蒸气冷凝为粒径小于10微米的液滴时，部分水分子会转化为过氧化氢分子。水微滴中形成的过氧化氢含量随液滴尺寸的增大而减少。过氧化氢的产生量与温度、湿度等环境条件密切相关。当使用硅材料、相对湿度为55%时，得到过氧化氢的最大浓度随温度变化关系如下图所示。

在2025年9月3日纪念抗战胜利80周年的阅兵盛典上，8万只“环保气球”在激昂的乐声中同时升空，化作一道绚丽的彩虹。这不仅是视觉的盛宴，更是化学科技与环保理念的完美融合。

球皮的奥秘：这些气球并非普通橡胶，而是由天然乳胶制成。乳胶的主要成分是聚异戊二烯，其分子是由大量碳、氢原子通过共价键构成的长链结构。这种结构决定了它具有良好的弹性，但与传统难以降解的塑料(如聚乙烯)不同，乳胶分子链在光照、氧气和微生物作用下能逐渐断裂，最终转化为水、二氧化碳等无害物质，回归自然。

气体的选择：氢气$\left({\text{H}}_2\right)$密度小，曾是填充气球的常用气体。但它是一种极易燃易爆的气体，存在安全隐患。为确保绝对安全，基于化学性质的充分评估，工程师们最终选择了稀有气体氦气$\left(\text{He}\right)$。氦气密度同样远小于空气，且化学性质极度稳定。

依据材料和所学知识回答下列问题：

绚丽烟花美丽化学

烟花爆竹的历史可以追溯到我国的唐朝。最初的爆竹是燃竹而爆，随着时间的推移，人们在竹筒中放入硝石、硫磺和木炭等成分，发明了火药。到了宋朝，民间开始使用纸筒装裹火药，并用麻茎串成鞭炮。

现代烟花内部结构如图所示，开包药发生爆炸时，其中的硝酸钾(KNO₃)、硫粉和木炭三者反应生成硫化钾(K₂S)、氮气和二氧化碳，能炸开烟花外壳。效果药包括发光剂、发色剂等，燃烧时能产生绚丽多彩的光。其中发光剂主要是铝粉或镁粉，燃烧时能发出耀眼的白光。发色剂是一些含金属元素的化合物，这些化合物中的金属离子在火焰中灼烧时，会发出不同颜色的光，如碳酸锶(红色)、氯化钙(橙色)、硝酸钠(黄色)、氯化铜(蓝色)等。将不同的效果药按不同方式进行排列，可使烟花爆炸后产生不同的形状和图案。

烟花作为一种广受欢迎的娱乐用品，不仅在节日庆典中扮演着重要角色，也蕴含着丰富的历史文化，是中华民族智慧的结晶。

据联合国2024年发布的《全球空气状况报告》显示，空气污染已成为全球第二大死亡风险因素。我国新修订的《环境空气质量标准》增加了PM_2.5等监测指标，要求向社会及时公布PM_2.5实时监测数据。当PM_2.5含量过高，大气能见度就会变小，天空看起来灰蒙蒙的，气象学把这一现象叫做“灰霾天”。

近年来，我国工业结构正在向高端化、智能化、绿色化方向转型。图为近5年我国珠三角地区与东三省地区PM_2.5的年平均浓度变化曲线。

镁是一种年轻的金属，1808年英国化学家戴维用电解法最早制得少量的镁。镁呈银白色，熔点为649℃，质轻、密度为$1.74\text{ g}/{\text{cm}}^3$。镁的化学性质活泼，能与许多物质发生化学反应，镁能在氧气中燃烧，也能在氮气中燃烧，还能在二氧化碳中燃烧。工业上主要在通电的情况下电解熔融的氯化镁制取金属镁，同时生成氯气。烟花和照明弹里都含有镁粉，是利用了镁在空气中燃烧能发出耀眼的白光。

被誉为21世纪“黑色材料”的石墨烯（如图1），是从石墨中分离出来的一层或几层由碳原子构成的石墨片，其化学性质类似于石墨。工业上可采用甲烷气体$\left({\text{CH}}_4\right)$在高温和催化剂作用下分解制取石墨烯（C），同时产生氢气。石墨烯是人类已知强度最高的物质，它比钻石还坚硬。纺织领域是石墨烯应用的新兴领域。面料掺入石墨烯后，在低温情况下，石墨烯可将来自远红外线的热量传送给人体，促进新陈代谢。另外，石墨烯中的含氧基团能影响菌体的正常代谢，实验人员研究不同面料中掺加石墨烯后的抗菌效果（如图2）。随着科技水平的提升，功能化的石墨烯以及石墨烯的复合材料在智能生活、电子材料、生物医学、环保监测等方面展现了巨大的应用前景。

气体分离方法有深冷法、吸附法和膜分离法等。深冷法是将气体降温液化，再利用不同气体沸点差异气化分离。标准大气压下，部分气体的沸点为：${\text{H}}_2\left(-253℃\right)$、${\text{N}}_2\left(-196℃\right)$、${\text{O}}_2\left(-183℃\right)$；吸附法是加压使气体被吸附剂吸附，降压可解吸附，实现分离。降压时沸点低的气体先解吸附（原理见图甲）；膜分离法能耗低、易操作，用有机高分子膜分离气体的原理如图乙所示。一种无机钙钛矿透氧膜分离空气可得纯度达$100\mathrm{\%}$的${\text{O}}_2$ ， 其原理为${\text{O}}_2$先形成${\text{O}}^{2-}$ ， 填补膜中“氧空穴”，膜中${\text{O}}^{2-}$再在另一侧转为${\text{O}}_2$（如图丙所示）。

新型材料—液态金属材料

清华大学、中国科学院理化技术研究所发明了一种全新的可实现超大尺度膨胀变形的液态金属材料，该材料其实是一种低沸点的，由液态金属和硅胶制成的材料。液态金属并不只是一种，而是种类繁多的大家族，通过不同的金属和配比，可以获得不同性能的液态金属材料。硅胶的主要成分是二氧化硅，化学性质稳定，除强碱，氢氟酸($\text{HF}$)外不与任何物质发生反应，不溶于水和任何溶剂，无毒无味，具有开放的多孔结构，是一种非晶态物质，并且也不易燃烧。

研究人员称，这种可以被3D打印成任意形状的特殊材料，可以摆脱其他刚体支撑物和溶液环境并得以站立，呈现出超大尺度变形和运动功能，且全部过程可逆。而这种材料既具有金属的性质，又具有液体的流动性，尤其适合制备由无线控制的软体机器人以及肿瘤的治疗，神经和骨骼修复等。

我国化学电池技术全球领先，动力电池的发展备受全球关注。判断一种电池的优劣主要看这种电池的比能量(单位质量的电池所输出的电能)以及电池可储存时间的长短。常用电池的比能量：锂电池＞镍镉电池＞铅蓄电池。锂电池具有轻便、比能量高的突出优点。生产含磷酸亚铁锂(LiFePO₄)的电池时，在电池材料中添加适量的石墨烯(从石墨中分离出单层的石墨片)作导电剂，可有效提高电池性能，但过多的石墨烯会导致电池内阻增加，性能下降。我国科研团队就石墨烯含量对LiFePO₄粉末电阻的影响进行研究，结果如下图所示：

石墨烯(化学式为C)是从石墨中分离出的单层的石墨片，是目前为止最薄的二维纳米碳材料，1mm厚的石墨大约包含300万层石墨烯。因其结构特殊，具有很多优异性能，如高导热性、高导电性及高强度等，被誉为“新材料之王”。

石墨烯是世界上导电性最好的材料，石墨烯晶体管的传输速度远远超过目前的硅晶体管，因此有希望应用于全新超级计算机的研发。石墨烯在电子、复合材料、医疗健康、纺织等多领域具有广泛应用，不同领域的应用分布如图1所示。

纺织领域是石墨烯应用的新兴领域，纺织面料掺入石墨烯后，在低温情况下，石墨烯可将来自远红外线的热量传送给人体，改善人体微循环系统，促进新陈代谢。有科学家提出，给石墨烯“打上”许多特定大小的孔，制成单层纳米孔二维薄膜，可进行海水淡化。图2为石墨烯海水淡化膜工作原理。随着科技水平的提升，石墨烯的应用前景会十分广阔。