2025國際兒童及青少年化學知識大賽2025 International Children and Youth Chemistry Knowledge Competition

2025國際兒童及青少年化學知識大賽題目範圍

本次大賽全面覆蓋化學核心領域，從基礎知識到前沿應用，旨在考察參賽者的化學探究能力、實驗思維與創新實踐能力，具體內容如下：

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一、化學基礎知識

（一）化學科學核心領域

物理與物質結構

1. 物質微觀結構：掌握原子結構（電子層、質子數）、分子結構（共價鍵、分子極性）的基本原理，能解釋物質性質與結構的關係。例如，分析金剛石與石墨的晶體結構差異及其物理性質（硬度、導電性）的不同，或解釋水分子的極性與其溶解極性物質（如鹽類）的機制。

2. 元素週期律：理解元素週期表的週期性變化規律（原子半徑、金屬性、非金屬性），熟悉常見元素（如鹼金屬、鹵素）的化學性質。如通過元素週期律預測第三週期元素的金屬性遞變規律，或分析鹵素單質（Cl₂、Br₂、I₂）的氧化性遞減與其原子結構的關係。

3. 物質聚集狀態：瞭解固體（晶體與非晶體）、液體、氣體的微觀結構特徵，如探討晶體熔化時的能量變化與晶格結構的關係，或分析理想氣體狀態方程（PV=nRT）中壓強、體積、溫度的相互影響。

化學反應與規律

1. 基本反應類型：掌握化合、分解、置換、複分解反應的特徵，能判斷反應能否發生及書寫化學方程式。例如，通過活動性順序判斷鋅與硫酸銅溶液的置換反應能否進行，或書寫碳酸鈣與鹽酸反應的複分解方程式並標註沉澱符號。

2. 化學反應原理：理解質量守恆定律、能量守恆定律在化學反應中的應用，熟悉化學平衡、電化學的基礎知識。如用質量守恆解釋 “鎂條燃燒後質量增加” 的現象，或分析原電池（銅鋅硫酸電池）中電子流動方向與電極反應。

3. 化學計量：運用物質的量、摩爾質量進行化學計算，如計算 2mol 水分解生成氫氣與氧氣的體積比（標準狀況下），或通過化學方程式計算一定質量的氯酸鉀分解產生氧氣的質量。

化合物與材料化學

1. 無機化合物：熟悉酸、鹼、鹽、氧化物的分類與性質，能設計簡單的鑒別實驗。例如，用酚酞試劑與碳酸鈉溶液鑒別稀鹽酸與氫氧化鈉溶液，或分析氧化鐵與稀硫酸反應的現象及產物。

2. 有機化合物：理解有機物的基本特徵（碳原子成鍵特點、同分異構現象），熟悉簡單有機物（如甲烷、乙醇、乙酸）的性質與用途。如解釋甲烷的正四面體結構與其取代反應（與氯氣）的機制，或分析乙醇與乙酸發生酯化反應的條件（濃硫酸、加熱）與產物（乙酸乙酯）。

3. 材料化學基礎：瞭解金屬材料（合金）、高分子材料（塑膠、橡膠）的合成與性質，如探討鋁合金的耐腐蝕性與其表面氧化膜的關係，或分析聚乙烯（PE）與聚氯乙烯（PVC）的結構差異及其用途（食品包裝、管道）的不同。

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（二）化學與技術應用

化學技術與工程實踐

1. 經典化學技術：瞭解提純技術（過濾、蒸餾、結晶）、合成技術（如肥料製備）的基本原理，能設計簡單的化學技術實驗。例如，用蒸餾法提純自來水中的雜質並檢測純度，或通過氨氣與硫酸反應製備硫酸銨肥料並分析其肥效。

2. 現代化學技術：掌握納米材料製備、電化學技術的基礎知識，如分析納米二氧化鈦的製備方法（溶膠 - 凝膠法）及其在光催化降解污染物中的應用，或探討鋰離子電池的充放電原理與電極材料（鋰鈷氧、石墨）的作用。

3. 化學工程基礎：理解化學工業生產中的工藝流程，如繪製精煉石油的蒸餾塔流程圖並解釋各餾分（汽油、柴油）的沸點範圍與用途，或分析合成氨工業中高壓、低溫（適度）條件對反應平衡的影響。

化學數據與計算思維

1. 化學數據分析：使用 Excel、化學軟體（如 ChemLab）進行數據處理與分析，如繪製不同濃度鹽酸與碳酸鈣反應的速率曲線並分析濃度對反應速率的影響，或通過 pH 滴定數據繪製中和曲線並確定滴定終點。

2. 化學模型構建：運用數學模型描述化學現象，如用阿倫尼烏斯方程計算溫度對反應速率常數的影響，或通過動力學模型模擬化學平衡體系中各物質濃度的變化規律。

3. 化學資訊學基礎：理解化學資料庫（如化學文摘 CA）與化學計算工具的應用，如查詢特定化合物（如阿司匹林）的化學結構與物理性質（熔點、溶解度），或用分子模擬軟體預測有機分子的空間構象。

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二、化學研究方法與實踐

（一）化學實驗與數據採集

實驗設計與操作

1. 對照實驗設計：能獨立設計控制變數的化學實驗方案，如探究 “溫度對雙氧水分解速率的影響”，需設定不同溫度梯度、控制催化劑（二氧化錳）用量等無關變數，並選擇氣體收集法測量反應速率。

2. 化學實驗操作：規範使用試管、燒杯、分液漏斗、pH 計等儀器，如用分液漏斗分離乙酸乙酯與飽和碳酸鈉溶液的混合液，或用 pH 計測定不同濃度醋酸溶液的 pH 值並計算電離度。

3. 實驗誤差分析：識別化學實驗中的誤差來源，如分析 “用天平稱量固體藥品” 中砝碼生銹對稱量結果的影響，並提出減小誤差的改進方案（如定期校準天平）。

數據處理與建模

1. 化學圖表繪製：使用 Origin、GraphPad 等工具繪製實驗數據圖表，如繪製化學平衡體系中反應物濃度與時間的關係曲線並標註平衡點，或用柱狀圖比較不同催化劑對反應速率的影響差異。

2. 統計方法應用：運用統計學工具分析化學數據，如通過平行實驗數據計算平均值與標準偏差判斷實驗結果的可靠性，或用卡方檢驗驗證化學反應方程式的計量比與實際實驗結果是否吻合。

3. 化學仿真實驗：利用模擬軟體實現化學現象的模擬，如用 PhET 模擬軟體探究電解質溶液的導電性與離子濃度的關係，或通過化學平衡模擬軟體模擬壓強變化對可逆反應（如 N₂+3H₂⇌2NH₃）平衡移動的影響。

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（二）化學模型與問題解決

化學過程建模

1. 反應過程建模：用圖解或數學公式描述化學反應過程，如繪製鹽酸與氫氧化鈉中和反應的熱力學過程示意圖（反應物、活化能、產物能量關係），或用方程式表示甲烷燃燒的氧化還原反應（標註電子轉移方向）。

2. 物質轉化建模：構建物質轉化的動態模型，如設計 “碳元素的化合物轉化” 概念模型，需包含碳酸鹽、碳酸、二氧化碳之間的轉化條件（酸鹼、加熱），或用流程圖展示金屬鐵從鐵礦石（氧化鐵）到鐵單質的冶煉過程（還原劑、溫度）。

3. 電化學建模：通過模型分析電化學現象，如繪製銅 - 鋅原電池的結構示意圖並標註電極反應（負極鋅溶解、正極銅析出），或用電位 - pH 圖分析金屬腐蝕的條件與防護區域。

化學問題解決

1. 現實化學問題：運用化學知識解決實際問題，如設計 “校園實驗室廢液處理方案”，需綜合考慮廢液類型（酸鹼、重金屬）、處理試劑（如石灰水中和酸、硫化鈉沉澱重金屬）與環保要求，或提出 “廚房油污清潔劑的選型方案”，利用表面活性劑的乳化作用分析不同清潔劑的效果。

2. 化學技術應用：結合化學技術解決產業或環境問題，如設計 “工業廢氣中二氧化硫的脫硫方案”，需選擇合適的吸收劑（如氨水、石灰石）並優化吸收條件（溫度、壓力），或探討 “納米催化材料在汽車尾氣處理中的應用”，分析其催化氧化一氧化碳、還原氮氧化物的原理。

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三、化學與可持續發展

（一）環境保護與化學應用

污染控制與治理

1. 水污染化學治理：理解水體污染（如重金屬、有機污染物）的化學治理原理，如分析混凝沉澱法（用硫酸鋁）去除水中懸浮顆粒的機制，或探討高級氧化技術（如臭氧氧化）降解水中難降解有機物（如農藥殘留）的過程。

2. 大氣污染化學防治：掌握大氣污染物（如二氧化硫、氮氧化物）的化學去除技術，如用石灰石膏法脫除電廠煙氣中的二氧化硫並分析反應方程式（CaO + SO₂ = CaSO₃），或解釋催化轉化器中鉑、銠催化劑將氮氧化物還原為氮氣的反應。

3. 土壤污染化學修復：瞭解土壤重金屬（如鉛、鎘）與有機污染的化學修復技術，如利用螯合劑（如 EDTA）絡合土壤中的重金屬使其易於淋洗，或通過氧化還原反應（如用鐵粉還原土壤中的六價鉻）降低污染物毒性。

綠色化學與資源循環

1. 綠色化學原理：理解綠色化學的核心理念（原子經濟性、無害化），熟悉綠色合成技術，如分析乙醇氧化制乙醛的原子利用率（100%）與傳統方法的優勢，或探討超臨界二氧化碳作為溶劑在綠色萃取中的應用（替代有機溶劑）。

2. 資源循環利用：掌握廢棄物資源化的化學方法，如用化學法回收廢舊電池中鎳、鈷等金屬（酸浸 - 沉澱 - 提純），或通過降解反應將廢舊塑膠（如 PET）轉化為小分子單體（對苯二甲酸、乙二醇）並重新聚合。

3. 可再生資源利用：瞭解生物質能源（如生物柴油）、太陽能化學轉化的技術，如分析植物油與甲醇酯交換反應製備生物柴油的原理，或探討太陽能光催化分解水製氫的化學反應（2H₂O → 2H₂↑ + O₂↑）與催化劑（二氧化鈦）的作用。

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（二）化學科技前沿與未來挑戰

新材料與能源化學

1. 先進材料化學：掌握功能材料（如導電聚合物、儲氫材料）的合成與性質，如分析聚噻吩的導電機制及其在柔性電子器件中的應用，或探討金屬有機框架（MOFs）材料的孔結構與儲氫性能的關係。

2. 新能源化學：理解新能源（如燃料電池、太陽能電池）的化學原理，如解釋質子交換膜燃料電池中氫氣氧化與氧氣還原的電極反應，或分析光伏電池中半導體材料（如矽）的光電效應與電子躍遷過程。

3. 儲能材料化學：瞭解儲能技術（如鋰離子電池、超級電容器）的化學基礎，如探討鋰離子電池中正極材料（磷酸鐵鋰）的脫嵌鋰機制與電池容量的關係，或分析超級電容器中電雙層的形成與電容儲能原理。

醫藥與生命化學

1. 醫藥化學基礎：理解藥物的化學結構與藥理作用的關係，如分析阿司匹林（乙酰水楊酸）的化學結構與其抗炎、解熱作用的機制（抑制前列腺素合成），或探討抗生素（如青黴素）的化學結構與抑菌作用（抑制細胞壁合成）的關係。

2. 生物化學技術：掌握生物體內的化學反應（如酶催化、代謝反應），如解釋酶的活性中心與底物的特異性結合及其對反應速率的影響，或分析糖酵解過程中的化學反應步驟與能量產生（ATP）。​

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四、挑戰題與創新思維

（一）開放性化學問題

現實化學問題解決

1. 設置真實場景任務，如 “如何利用化學技術設計校園飲用水淨化裝置”，要求參賽者從過濾（去除雜質）、吸附（活性炭除味）、消毒（如次氯酸鈉）多維度提出方案，並評估淨化效果與成本效益。

2. 創新需求應對，如 “設計一款環保型金屬清潔劑”，需綜合運用表面活性劑（乳化油污）、緩蝕劑（保護金屬）與無磷配方（避免水體富營養化），確保清潔效果與環境友好性。

未來化學科技構想

1. 前瞻性設計任務，如 “構思 2050 年的綠色化工生產體系”，要求結合可再生能源（太陽能、風能）、原子經濟反應與廢物零排放理念，描繪化工生產的物質迴圈與能量利用模型，並分析其解決資源短缺與環境污染的潛力。

（二）跨學科化學挑戰

化學與其他領域融合

1. 化學 + 工程：運用化學與工程知識解決實際問題，如設計 “仿生防水塗料”，需綜合考慮疏水材料（如聚四氟乙烯）的化學結構、塗層工藝與基材（如金屬、塑膠）的附著性，模擬蓮葉的疏水效應。

2. 化學 + 電腦：開發化學教育或研究工具，如用 Python 編寫 “化學方程式配平程式”，實現不同類型化學方程式（氧化還原、複分解）的自動配平，或設計 “化學實驗模擬遊戲” 幫助理解實驗操作步驟與安全規範。

3. 化學 + 生物：運用化學與生物知識開展創新實踐，如設計 “植物色素提取與天然染料製作” 實驗，從紅花、紫甘藍中提取天然色素（如花青素、類胡蘿蔔素），通過調整 pH 值改變色素顏色，並用於棉紗染色，分析不同色素的染色牢度與化學穩定性（如耐光、耐洗性），既體現化學物質的性質，又融入生物資源的利用。

 

參賽者需兼具扎實的化學知識、科學探究能力與跨學科創新思維，在解決現實問題的過程中展現化學的實用性、系統性與創造性，同時體現對環境保護、資源利用與未來科技發展的深度思考，以化學為工具推動創新實踐，展現化學學科的多元價值。