2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——光化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述光化學(xué)反應(yīng)與熱化學(xué)反應(yīng)的主要區(qū)別。在光化學(xué)反應(yīng)中，什么是量子產(chǎn)率（Φ）？它有哪些主要影響因素？二、根據(jù)光化學(xué)第一定律和第二定律，解釋什么是光化學(xué)當(dāng)量定律（比爾定律）？請說明其適用條件和表達(dá)式。三、某一級光化學(xué)反應(yīng)，在特定光源照射下，量子產(chǎn)率Φ=0.6。若反應(yīng)物初始濃度為0.01mol/L，照射10分鐘后，反應(yīng)物濃度下降至0.004mol/L。請計算該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率和表觀活化能（假設(shè)活化能Ea已知，并請寫出計算過程）。四、簡述光催化反應(yīng)的基本原理。與傳統(tǒng)的光化學(xué)反應(yīng)相比，光催化反應(yīng)有何特點(diǎn)？請列舉至少兩種光催化劑材料，并說明其選擇時應(yīng)考慮的主要因素。五、對于一個典型的直鏈光化學(xué)反應(yīng)機(jī)理：A+hν→A'(鏈引發(fā))A'+M→P+M(鏈傳播)P+M→Q+M(鏈傳播)Q→Products(鏈終止)R+A'→A+R'(鏈終止)請寫出該反應(yīng)的總包反應(yīng)式，并分析其鏈傳播步驟中可能涉及的關(guān)鍵基元反應(yīng)。六、說明紫外-可見光譜法在研究光化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)中的主要作用。如何利用紫外-可見光譜監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)程？請簡述通過光譜數(shù)據(jù)確定反應(yīng)級數(shù)和量子產(chǎn)率的基本思路。七、激光閃光光解法（FlashPhotolysis）是一種研究超快反應(yīng)動力學(xué)的重要技術(shù)。請簡述其基本原理和主要優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)通常用于研究哪些類型的光化學(xué)反應(yīng)問題？八、設(shè)計一個簡單的實(shí)驗(yàn)方案，用于研究某種有機(jī)分子在特定光源照射下的光分解反應(yīng)動力學(xué)。方案應(yīng)包括至少以下內(nèi)容：反應(yīng)物選擇與處理、光源類型與強(qiáng)度設(shè)置、主要監(jiān)測手段（如紫外-可見光譜）、數(shù)據(jù)處理方法以及預(yù)期分析的內(nèi)容（如反應(yīng)級數(shù)、量子產(chǎn)率、反應(yīng)機(jī)理初探）。九、結(jié)合資源化學(xué)的專業(yè)背景，論述光催化技術(shù)在水處理（如降解有機(jī)污染物）或資源轉(zhuǎn)化（如CO2還原、水分解制氫）方面的應(yīng)用前景和面臨的挑戰(zhàn)。試卷答案一、光化學(xué)反應(yīng)由光能驅(qū)動，直接涉及光子；通常有激發(fā)態(tài)參與；反應(yīng)路徑可能不同；可能發(fā)生原子、分子和離子的異構(gòu)化。量子產(chǎn)率（Φ）是指吸收一個光子所產(chǎn)生的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化量或產(chǎn)物生成量。主要影響因素包括光源波長和強(qiáng)度、反應(yīng)物濃度、溫度、溶劑、壓力以及是否存在催化劑或抑制劑。二、光化學(xué)第一定律指出，只有被分子吸收的光才能引起光化學(xué)反應(yīng)。光化學(xué)第二定律（斯特恩-愛因斯坦定律的初級量子定律）指出，一個光子只能引發(fā)一個分子發(fā)生反應(yīng)。光化學(xué)當(dāng)量定律（比爾定律）基于此，表述為溶液吸收的光強(qiáng)度（與光程和濃度成正比）正比于引發(fā)初級過程的分子數(shù)。表達(dá)式為Ia∝I0*(1-10^(-αbc))，其中Ia是吸收的光強(qiáng)度，I0是入射光強(qiáng)度，α是消光系數(shù)，b是光程，c是濃度。該定律適用于單光子過程、無重吸收且初級過程是決速步驟的情況。三、平均反應(yīng)速率v=(Δc)/Δt=(0.01-0.004)/10=0.006mol/(L·min)。對于一級反應(yīng)，速率常數(shù)k=Φ*λ/hc。量子產(chǎn)率Φ=0.6，λ是波長（需設(shè)定或已知），h是普朗克常數(shù)，c是光速。表觀活化能通常通過改變溫度測量k值，繪制Arrhenius圖(lnkvs1/T)求得斜率(-Ea/R)，進(jìn)而計算Ea=-R*斜率。此處因缺少具體數(shù)值（波長、溫度、Ea數(shù)據(jù)），無法給出具體Ea值，僅說明計算方法。四、光催化反應(yīng)是指利用半導(dǎo)體光催化劑，在光照下將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，促使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的過程?；驹硎枪庾幽芰勘还獯呋瘎┍砻嫖?，導(dǎo)致光生電子（e^-）和光生空穴（h^+）產(chǎn)生，這些活性物種或其與吸附在催化劑表面的物質(zhì)作用，引發(fā)氧化還原反應(yīng)。特點(diǎn)包括：可在常溫常壓下進(jìn)行；利用日光或可見光；可降解有機(jī)污染物；環(huán)境友好；可能具有自清潔功能。選擇光催化劑時應(yīng)考慮：半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)（禁帶寬度匹配光源波長）；光吸收能力；電子-空穴對復(fù)合率（要求低）；比表面積和表面活性；化學(xué)穩(wěn)定性；成本和制備工藝。五、總包反應(yīng)式為A+M→Products。鏈傳播步驟可能涉及的關(guān)鍵基元反應(yīng)包括：A'+M→P+M和P+M→Q+M。這些步驟是形成最終產(chǎn)物P（或Q）的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，構(gòu)成了光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)產(chǎn)物的主鏈。六、紫外-可見光譜法主要用于定性分析分子結(jié)構(gòu)和定量分析物質(zhì)濃度。在光化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)中，其作用在于：監(jiān)測反應(yīng)物或產(chǎn)物的濃度隨時間的變化，繪制濃度-時間曲線。通過選擇合適的波長（對反應(yīng)物或產(chǎn)物有特征吸收，且干擾?。?，測量吸光度（A）隨時間（t）的變化。利用Beer-Lambert定律A=εbc，其中ε是摩爾吸光系數(shù)，b是光程，c是濃度，可以通過吸光度變化推算濃度變化。確定反應(yīng)級數(shù)：通過改變初始濃度，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，分析ln(c)vst,1/cvst,cvst圖的線性關(guān)系，斜率對應(yīng)-k或k，從而確定級數(shù)n。確定量子產(chǎn)率：在已知光源強(qiáng)度和波長下，通過測量單位時間吸收的光子數(shù)（或通過已知量子效率的光強(qiáng)度計測量照射光強(qiáng)）和單位時間反應(yīng)物消耗量，計算Φ=(反應(yīng)速率*光程*摩爾吸光系數(shù)*Avogadro常數(shù))/(入射光子通量*反應(yīng)物初始濃度)。七、激光閃光光解法利用超短脈沖激光（納秒或皮秒級）照射樣品，產(chǎn)生瞬態(tài)物種，并用快速探測儀器（如光柵光譜儀）在激光閃光后不同時間點(diǎn)記錄樣品的吸收光譜變化。其基本原理是：激光脈沖提供能量，使反應(yīng)物分子激發(fā)或解離，形成高能中間體（光化學(xué)產(chǎn)物）。這些中間體的壽命極短，其濃度隨時間變化，導(dǎo)致樣品吸收光譜隨時間變化。通過分析光譜隨時間的變化曲線，可以獲得反應(yīng)速率常數(shù)、中間體壽命、能級結(jié)構(gòu)等信息。主要優(yōu)點(diǎn)是時間分辨率極高（納秒至飛秒級），能夠捕捉到化學(xué)反應(yīng)的動態(tài)過程，特別是超快反應(yīng)。八、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計：1.反應(yīng)物選擇與處理：選擇一種在特定波長光照下易發(fā)生光分解的有機(jī)分子（如甲苯）作為反應(yīng)物A。將其溶解于合適的惰性溶劑（如環(huán)己烷）中，配制成一系列已知初始濃度的溶液，置于石英反應(yīng)池中。2.光源類型與強(qiáng)度設(shè)置：選用特定波長（如254nm）的紫外汞燈或LED作為光源。使用光強(qiáng)度計測量并控制照射在反應(yīng)池窗口上的光強(qiáng)（如100mW/cm2），確保光強(qiáng)恒定。3.主要監(jiān)測手段：使用紫外-可見分光光度計。在反應(yīng)過程中，每隔固定時間（如0,10,30,60,120秒）用分光光度計在反應(yīng)物A的特征吸收波長處測定溶液的吸光度。4.數(shù)據(jù)處理方法：利用吸光度數(shù)據(jù)，根據(jù)Beer-Lambert定律計算反應(yīng)物A的濃度隨時間的變化。繪制c-t曲線。5.預(yù)期分析的內(nèi)容：*通過分析c-t曲線的形狀（如直線、指數(shù)衰減），初步判斷反應(yīng)級數(shù)。*通過改變初始濃度重復(fù)實(shí)驗(yàn)，利用c-t數(shù)據(jù)計算反應(yīng)速率常數(shù)k。*根據(jù)速率常數(shù)和已知的光源強(qiáng)度、波長、溶劑的摩爾吸光系數(shù)等參數(shù)，計算量子產(chǎn)率Φ。*（可選）通過分析光譜變化，嘗試鑒定瞬態(tài)中間體。九、應(yīng)用前景：光催化技術(shù)在資源化學(xué)領(lǐng)域具有廣闊前景。在水處理方面，可用于高效、廣譜地降解水體中的難降解有機(jī)污染物（如抗生素、染料），消除毒性，實(shí)現(xiàn)水的凈化。在資源轉(zhuǎn)化方面，可用于CO2的光催化還原，將其轉(zhuǎn)化為有價值的化學(xué)品或燃料（如甲烷、甲醇）；可用