2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子工程在工業(yè)化學(xué)工程中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的代表字母填在題干后的括號內(nèi)）1.下列哪一項不屬于分子工程的核心特點？（）A.利用分子級別的認識進行設(shè)計B.強調(diào)宏觀尺度的物質(zhì)合成C.注重多學(xué)科交叉融合D.實現(xiàn)對材料分子結(jié)構(gòu)的精確控制2.在工業(yè)化學(xué)工程中，分子篩材料最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是？（）A.高溫結(jié)構(gòu)材料B.高壓絕緣材料C.氣體和液體分離D.可燃固體推進劑3.與傳統(tǒng)宏觀過濾相比，膜分離技術(shù)的核心優(yōu)勢在于能夠有效分離？（）A.氣體與液體B.固體與液體C.分子量或粒徑相近的溶質(zhì)對D.密度差異顯著的混合物4.在固定床催化反應(yīng)器中，分子篩催化劑的擇形催化效應(yīng)主要源于其？（）A.高比表面積B.高熱穩(wěn)定性C.獨特的孔道結(jié)構(gòu)D.高機械強度5.下列哪種分子工程策略旨在增強材料對特定分子的吸附能力？（）A.調(diào)控材料的表面能B.改變材料的孔徑分布C.引入特定的識別位點或基團D.提高材料的導(dǎo)電性6.納米材料在工業(yè)分離過程中的應(yīng)用，主要利用了其？（）A.強大的催化活性B.優(yōu)異的力學(xué)性能C.超大的比表面積和獨特的輸運性質(zhì)D.生物相容性7.分子工程對傳質(zhì)過程的強化，通常體現(xiàn)在提高混合物的？（）A.密度B.粘度C.擴散系數(shù)D.沉降速度8.在綠色化工的背景下，分子工程技術(shù)有助于減少污染物的產(chǎn)生，例如通過？（）A.開發(fā)高選擇性催化劑，減少副產(chǎn)物B.設(shè)計高效分離膜，實現(xiàn)資源回收C.利用可再生原料進行分子設(shè)計D.以上都是9.計算分子工程（ComputationalMolecularEngineering）在工業(yè)化學(xué)工程中的主要價值在于？（）A.直接合成新材料B.模擬預(yù)測分子行為和材料性能C.自動控制化工過程D.優(yōu)化實驗設(shè)計10.下列哪個實例體現(xiàn)了分子工程在生物制藥工業(yè)中的應(yīng)用？（）A.利用分子印跡技術(shù)制備選擇性吸附劑B.利用高分子膜進行血液透析C.利用沸石分子篩進行石油裂解D.利用納米顆粒進行藥物靶向輸送二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填寫在橫線上）1.分子工程的基本原理包括分子識別、______和分子組裝。2.膜分離過程的分離機制主要包括溶解-擴散、______和吸附-表面擴散。3.常見的分子篩材料如沸石，其孔道結(jié)構(gòu)通常由______構(gòu)成。4.分子工程旨在實現(xiàn)對物質(zhì)在______尺度的設(shè)計和控制。5.在工業(yè)催化中，分子篩的擇形催化效應(yīng)可以限制反應(yīng)物分子的______和產(chǎn)物分子的______。6.分子工程與化學(xué)工程的交叉融合，推動了化工過程向更高效、更清潔、更綠色的方向發(fā)展，體現(xiàn)了______化工的理念。7.利用分子工程手段設(shè)計的材料，在性能上可能表現(xiàn)出______、______等特殊性質(zhì)。8.分子工程在精細化工領(lǐng)域的應(yīng)用，可以實現(xiàn)對特定化學(xué)品的______合成。三、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述分子篩膜在天然氣分離中的應(yīng)用原理及其優(yōu)勢。2.解釋什么是分子工程的“分子識別”原理，并舉例說明其在工業(yè)中的應(yīng)用。3.與傳統(tǒng)過濾方法相比，氣體膜分離技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)是什么？4.簡述分子工程如何強化化學(xué)反應(yīng)過程中的傳質(zhì)步驟。四、計算題（6分）某工業(yè)應(yīng)用采用某型號的氣體分離膜，已知該膜對氣體A和B的選擇性（αAB）為10，在操作壓力下，氣體A和B的滲透通量（J）分別為100mol/(m2·s)。假設(shè)膜的總面積有效利用率為80%，試計算該膜組件每小時能分離得到多少摩爾的氣體A，如果原料氣中A和B的摩爾比為1:4？五、論述題（14分）結(jié)合具體實例，論述分子工程技術(shù)對傳統(tǒng)工業(yè)化學(xué)工程過程（如分離、催化）帶來的變革性影響，并分析其在實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展化工過程中的重要意義。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.C4.C5.C6.C7.C8.D9.B10.A二、填空題1.自組裝2.溶解-擴散（或孔道流動）3.SiO?-AlO?-SiO?骨架（或沸石骨架）4.分子（或原子、納米）5.進入、離開（或擴散進入、擴散離開）6.綠色（或環(huán)境友好）7.高選擇性、高效能（或其他合理答案，如特殊光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)等）8.高效（或精準、特異性）三、簡答題1.解析思路：分子篩膜具有高度規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)，其孔徑與目標分子尺寸接近。當混合氣體通過膜時，根據(jù)大小篩分原理，尺寸小于孔道的分子（如天然氣中的CH?）更容易進入孔道并通過膜，而尺寸較大的分子（如N?、CO?等雜質(zhì)）則被阻擋，從而實現(xiàn)混合氣體的分離。優(yōu)勢在于分離效率高、能耗低、可在接近常溫常壓下操作、可連續(xù)運行等。2.解析思路：分子識別是指利用分子間相互作用的特異性（如范德華力、氫鍵、靜電作用等），使材料表面的特定位點能夠選擇性地結(jié)合或吸附目標分子，而對其他分子則表現(xiàn)出排斥性。例如，利用分子印跡技術(shù)合成具有特定識別位點的聚合物吸附劑，用于富集或去除水體中的污染物；或利用高度均勻的分子篩孔道選擇性催化特定尺寸或形狀的分子。3.解析思路：氣體膜分離的主要挑戰(zhàn)包括：1）氣體在膜材料中的溶解-擴散傳質(zhì)速率相對較慢，導(dǎo)致滲透通量較低；2）膜材料對混合氣體中不同組分的滲透選擇性與氣體分壓、溫度、化學(xué)性質(zhì)等因素相關(guān)，易受操作條件變化影響，選擇性穩(wěn)定性有待提高；3）膜材料容易受到高濃度水蒸氣、烴類或其他化學(xué)物質(zhì)的污染，導(dǎo)致性能下降甚至失效；4）膜組件的長期運行穩(wěn)定性、抗污染能力和膜材料的長期化學(xué)惰性也是挑戰(zhàn)。4.解析思路：化學(xué)反應(yīng)通常包括反應(yīng)物分子的擴散至反應(yīng)界面、在界面發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化以及產(chǎn)物分子的擴散離開界面這三個步驟。分子工程可以通過以下方式強化傳質(zhì)：1）設(shè)計具有特定孔道結(jié)構(gòu)的高比表面積催化劑，增大反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴散距離，提高其向/從界面擴散的速率；2）通過調(diào)控材料表面性質(zhì)，改善反應(yīng)物在材料表面的吸附和脫附性能，從而加速表面反應(yīng)前的傳質(zhì)步驟；3）利用納米效應(yīng)等，增大物質(zhì)在材料內(nèi)部的擴散系數(shù)。四、計算題解析思路：1）根據(jù)選擇性定義αAB=JAJ/JBJ，求出氣體B的滲透通量J_B=J_A/αAB。2）計算膜組件的總滲透通量J_total=J_A+J_B。3）計算總滲透通量中氣體A的占比f_A=J_A/(J_A+J_B)。4）計算膜面積A_effective=A_total*80%。5）計算A的摩爾流量N_A=J_total*A_effective。6）根據(jù)A的摩爾流量和原料氣組成，計算A的總量。答案計算：J_B=100mol/(m2·s)/10=10mol/(m2·s)J_total=100mol/(m2·s)+10mol/(m2·s)=110mol/(m2·s)f_A=100mol/(m2·s)/110mol/(m2·s)=100/110N_A=J_total*A_effective=110mol/(m2·s)*A_total*80%=0.88*110*A_totalmol/s原料氣中A的摩爾流量為N_A/(1+4)=N_A/5A的總量=(N_A/5)*3600s=(0.88*110*A_total/5)*3600mol=69312*A_total/5mol五、論述題解析思路：1）闡述分子工程的核心思想：在分子/原子尺度上設(shè)計和構(gòu)筑具有特定結(jié)構(gòu)和功能的新材料。2）論述其在分離領(lǐng)域的影響：開發(fā)出具有高選擇性、高滲透性的膜材料（如特殊孔道結(jié)構(gòu)的分子篩膜、共混膜等），實現(xiàn)了對傳統(tǒng)方法難以分離的混合物（如近沸點物系、氣體混合物、共價鍵合物等）的高效分離，降低了分離能耗，推動了膜過程的應(yīng)用。3）論述其在催化領(lǐng)域的影響：設(shè)計出具有特定孔徑、孔道構(gòu)型、活性位點分布和酸堿性的分子篩或金屬有機框架（MOFs）催化劑，實現(xiàn)了