2026年中考化学一轮复习教学素材：金属有机框架(MOFs)：分子积木搭出“超吸海绵”

【教学素材】 金属有机框架（MOFs）：分子积木搭出“超吸海绵” 湖北省石首市文峰中学 刘涛 【情景创设】2025年诺贝尔化学奖授予北川进、理查德•罗布森、奥马尔•M•亚吉三位科学家，保障他们在“金属有机骨架（MOFs）”材料领域做出的开创性贡献。MOFs是由金属离子和有机分子通过化学键连接而成，具有规则孔洞结构的晶体材料，因其极高的比表面和可调控的孔道，被誉为“分子海绵”。 这三位结构大师创造了具有巨大潜力的金属有机框架，一种具有巨大空腔的分子结构，使气体和其他化学物质能够在空腔中流动。为定制化的新功能材料带来了前所未有的可能性。MOFs材料的获奖意义在于其在吸附分离领域中发挥了至关重要的作用，并通过作为碳材料模板，极大地拓展了其在能源、催化和材料科学中的广泛应用潜力。如今，科学家已设计出数以万计的MOFs，被用于碳捕集、空气净化、药物递送、能源存储、从沙漠空气中提取水分等众多前沿领域。 MOFs是分子级别的“魔法空间”，金属是“连接点”，有机分子是“桥梁”，最终形成一个三维的“骨架”结构，中间留下大量空腔。这些空腔可以“收纳”各种分子，比如水、二氧化碳、甲烷、药物分子，还可以用来过滤污染物、储存气体、催化反应。 （1）碳捕集与储存：可用于捕捉工业排放中的二氧化碳，助力应对气候变化。 （2）水资源获取：科研团队开发的MOFs材料能在低湿度环境中从空气中提取水分，已在沙漠地区试验成功。 （3）药物递送：MOFs可作为“分子胶囊”，在体内缓慢释放药物，提高治疗效果。 （4）污染物去除：可用于去除水中的全氟辛烷磺酸（PFAS）等污染物或分解环境中的抗生素残留。 【同步训练设计】 1．金属有机骨架（MOFs）材料在解决人类能源、环境等问题方面具有巨大潜力，下列关于MOFs材料的问题中不属于化学研究范畴的是（ ） A．如何开发新型MOFs材料 B．MOFs材料的结构与性质存在什么关系 C．如何去除水中的全氟辛烷磺酸（PFAS）等污染物 D．如何计算MOFs材料工业应用的经济成本 2．2025年诺贝尔化学奖授予金属有机框架（MOFs）材料的研究者。其核心特性是（ ） A．超高机械强度 B．分子级多孔结构 C．超导特性 D．生物降解性 3．2025年诺贝尔化学奖的获得者在开发金属有机框架（MOFs）材料方面作出了巨大贡献，这为分子结构的研究提供了无限空间。下列有关分子和原子说法错误的是（ ） A．分子和原子都可以直接构成物质 B．分子和原子的体积和质量都很小 C．分子可以再分，而原子不能再分 D．在化学变化中，分子的种类会改变，原子的种类、数目不会改变 4．2025年度诺贝尔化学奖表彰获得者们在金属有机框架开发方面所作出的贡献。金属有机框架中常用到EDTA（化学式为C10H16N2O8），作为有机配体，下列关于EDTA的说法正确的是（ ） A．EDTA中碳、氢元素的质量比为10∶16 B．1个EDTA分子中含有1个氮分子 C．EDTA由碳、氢、氧、氮四种元素组成 D．EDTA由36个原子构成 5．2025年诺贝尔化学奖颁给了开发金属有机框架材料（MOF）的三位科学家。MOF-303是一种基于铝的金属有机框架（MOF）材料，通常通过铝离子与有机配体结合形成。如图是铝在元素周期表中的信息及铝原子的结构示意图。下列说法正确的是（ ）（ A．铝原子的中子数为13 B．铝的相对原子质量为26.98g C．铝属于非金属元素 D．图中最外层电子数x为3 6．金属有机骨架化合物（MOFs）因高孔隙率等优良特性成为吸附材料的研究热点。采用不同金属中心离子，可合成不同的MOFs吸附材料。回答下列问题： （1）金属硝酸盐是合成MOFs的常见试剂。硝酸根离子的符号为 。 （2）氮的氧化物、硫的氧化物是主要的大气污染物，对这些有害气体的治理及合理利用显得尤为重要。某MOFs多孔材料孔径大小和形状恰好将N2O4“固定”，能高选择性吸附NO2。废气中的NO2被吸附后，经处理能全部转化为HNO3，原理示意图如图。 ①请从温度和压强两个角度分析利于NO2吸附的条件： 。 ②下列说法正确的是 （填字母） A．图示吸附过程属于氮的固定 B．温度升高时不利于N2O4被MOFs固定 C．该MOFs材料也可用于“固定”其他小分子，如NO、H2等 （3）图示中转化为HNO3的反应，化学方程式为 。 7．阅读科普短文，回答问题。 最近，科学家创造了强大的“吸汽材料”（MOFs材料）并开发出在沙漠也能“吐水”的“集水神器”（如图）。MOFs材料具有亲水孔道，对空气中的水蒸气具有超强的吸附作用。MOFs材料可选择的金属原料很多，像MOF-801使用的氧氯化锆（ZrOCl2）原料，价格比较昂贵；而合成MOF-303的原料是便宜易得的氯化铝（AlCl3），可大大降低成本。 工业上，水常用作冷却剂、溶剂或原料。如工业上通过电解食盐水获得氢气、氯气和氢氧化钠（俗称烧碱）。 （1）（1）海水蒸发过程中，从能量角度看，该过程需要 （填“吸收”或“放出”）热量；从微观角度看，该过程中发生的改变是 。 （2）MOF—801使用的原料中含有 种元素。 （3）科学家研发的“集水神器”能够“吸汽”的原因是 。 （4）下列说法正确的是 （填字母）。 A．人工降雨也是缓解淡水危机的方法之一 B．海水淡化过程中不涉及化学变化 C．与MOF-801相比，MOF-303应用前景更好 8．2025年诺贝尔化学奖授予了开发金属有机框架（MOFs）的科学家，这种被称为“分子乐高”的材料可从沙漠空气中提取水分。某校九年级学生开展跨学科实践活动，结合该科技成果及水的相关知识制作模型并探究物质奥秘，请完成下列问题： （1）金属有机框架（MOFs）由金属离子和有机碳基分子构成，从构成物质的粒子角度看，其构成与下列______（填序号）物质最相似。 A．铁 B．水 C．氯化钠 D．氧气 （2）金属有机框架具有纳米多孔结构，其内部的孔隙可以吸附大小合适的分子（如图1），其孔隙内特定点位还与被吸附分子产生一定的作用力，使分子较牢固地吸附在其中。MOF—303（如图2）是专为吸附水分子而设计制造，其在沙漠中提取水分的过程是：晚上从空气中吸附水分子到孔隙中，此时温度较低，分子动能也较低，不能摆脱特定点位对分子的作用力，水分子牢固地吸附在孔隙内；白天在阳光的照射下温度升高，水分子又从孔隙中释放出来，循环进行就能持续不断地在沙漠中获得水分。请分析白天水分子被释放的原因可能是 。 （3）通过查阅资料，同学们了解到水分子是由两个氢原子和一个氧原子构成，其空间构型并非直线型（H—O—H），而是形成一个大约104.5°的夹角。则水分子的微观结构模型正确的应是图3中的______（填字母序号）。 （4）结合水的组成与结构探究历程，下列认识思路正确的是 （填字母）。 A．微观构成→宏观组成→模型建构 B．宏观现象→微观构成→元素组成 C．宏观实验→元素组成→微观构成 D．模型建构→微观构成→宏观现象 9．阅读科普短文，回答问题。 2025年诺贝尔化学奖授予了在金属有机框架（MOFs）领域做出开创性贡献的三位科学家。MOFs为“21世纪的材料明星”，是一种由金属离子或金属簇与有机配体形成的具有周期性网络结构的晶态多孔材料。它拥有巨大的比表面积，当一块方糖大小的MOFs材料如果完全展开，其表面积可以覆盖整个足球场。这为吸附和反应提供了巨大的空间。MOFs材料的应用正在不断拓展，在环境保护方面，用于捕获二氧化碳，有助于减缓温室效应；在水资源获取方面，在干旱地区，可以利用MOF从沙漠空气中高效地吸附收集水分；在能源与净化方面，可用于储存氢气、甲烷等清洁能源气体，以及去除水中的全氟辛烷磺酸（PFAS）等污染物。尽管前景广阔，MOF要实现大规模生产应用仍面临一些挑战，主要是部分有机配体和合成过程成本较高，大规模、低成本的绿色合成方法是当前的研究重点。 （1）气体捕集与存储：因其巨大的比表面积，使其能够吸附大量的气体分子，在捕集二氧化化碳时允许 （填微粒名称）进入孔道将其将捕捉，这样有助于减缓 。 （2）水处理：MOFs材料能去除水中的全氟辛烷磺酸（PFAS）等污染物，是因为其具有很好的 性。 （3）海水淡化：MOFs材料在海水淡化过程中，可精准筛分水分子和盐离子、重金属离子水分子穿过其精密孔道，该过程主要发生 （填“物理”或“化学”）变化。 （4）MOFs材料目前还没有大规模生产应用的主要原因是 。 10．阅读科普短文，回答问题。 2025年诺贝尔化学奖授予了金属有机框架（MOFs）领域的三位科学家。MOFs是由金属离子与有机分子构成的具有规则孔道结构的材料。 MOFs在环境与能源领域应用广泛：可高效吸附水中重金属离子（如Pb2＋）和空气中的SO2、NO2等污染物。此外，由于MOFs的比表面积大，能高效储存氢气。如图对比了两种比表面积不同的MOFs材料（MOFsA＞MOFsB）在－196℃下的储氢性能，氢气吸附量用氢气质量与MoFs材料质量的百分比表示。 （1）Pb2＋是铅原子 （填“得到”或“失去”）电子形成的。 （2）MOFs能依据分子大小吸附水中重金属离子得益于其 的结构，这属于MOFs的 （填“物理”或“化学”）性质。 （3）下列物质中不属于MOFs能吸附的空气污染物的是 （填序号）。 A．SO2 B．NO2 C．CO2 （4）MOFs可用于储存氢气。请写出氢气燃烧的化学方程式为 。 （5）由图可知，MOFs对氢气的吸附量与压强的关系为 。 参考答案 1～5．D、B、C、C、D； 6．（1）NO3－；（2）①低温、高压；②B；（3）2N2O4＋O2＋2H2O＝HNO3。 7．（1）C；（2）吸收；分子的间隔增大；（2）3；（3）MOFs材料具有亲水孔道，对空气中的水蒸气具有超强吸附作用；（4）ABC。 8．（1）C；（2）白天阳光照射温度升高，水分子的动能增加，能够克服特定点位对水分子的作用力，从而使水分脱附而被释放出来；（3）B；（4）C。 9．（1）二氧化碳分子；温室效应；（2）吸附；（3）物理；（4）部分有机配体和合成过程成本较高。 19．（1）失去（2）多孔；物理；（3）C；（4）：2H2＋O2 ( 点燃 )2H2O（5）在该实验的压强范围内，随着压强的增大，MOFs对氢气的吸附量先快速增加，后增长速率变慢（逐渐趋于平稳）。 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $