2025年大學《資源化學》專業(yè)題庫——化學催化機制研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.下列關于催化劑的敘述，錯誤的是：A.催化劑能改變化學反應的平衡常數(shù)。B.催化劑能降低化學反應的活化能。C.催化劑參與反應歷程，但反應前后自身質(zhì)量和化學性質(zhì)不變。D.催化劑的選擇性可以影響產(chǎn)物分布。2.對于均相催化反應，通常研究的吸附類型主要是：A.物理吸附B.化學吸附C.吸附-脫附循環(huán)D.吸附分解3.Langmuir吸附等溫式主要適用于：A.吸附層內(nèi)分子間作用力不影響的單分子層吸附。B.多分子層吸附。C.物理吸附過程。D.化學吸附過程。4.在多相催化反應中，描述吸附物在固體表面發(fā)生脫附過程的速率方程通常表示為：A.r=kPB.r=kP^2C.r=k(1-θ^n)D.r=kθ5.下列哪種表征技術主要用于測定固體材料的比表面積和孔結(jié)構(gòu)？A.X射線衍射(XRD)B.透射電子顯微鏡(TEM)C.比表面積及孔徑分析(BET)D.紅外光譜(IR)6.金屬催化劑表面的懸空d軌道電子參與吸附物成鍵，這通常有利于：A.物理吸附B.化學吸附C.前驅(qū)體物種的生成D.產(chǎn)物解吸7.催化劑的“本征活性”是指：A.催化劑在特定反應條件下的實際反應速率。B.催化劑活性組分本身的反應速率，不受擴散等因素影響。C.基于化學計量學的理論計算活性。D.催化劑表現(xiàn)出的最高活性。8.對于涉及表面反應步驟的催化循環(huán)，其整體速率通常由哪個步驟控制？A.吸附步驟B.脫附步驟C.表面反應步驟（決速步驟）D.活化能最低的步驟9.載體在多相催化中的作用通常不包括：A.提供較大的比表面積，分散活性組分。B.增強活性組分的穩(wěn)定性。C.直接參與催化反應的表面化學過程。D.調(diào)節(jié)活性組分的電子性質(zhì)。10.原位表征技術的主要優(yōu)勢在于：A.可以獲得高分辨率的表面形貌信息。B.可以在反應條件下實時監(jiān)測催化劑的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化。C.設備簡單，操作方便。D.成本低廉。二、填空題1.催化反應的速率通常隨催化劑表觀濃度的增加而增加，直到達到__________，之后趨于平穩(wěn)。2.在Eley-Rideal機理中，反應物分子直接在吸附在催化劑表面的反應物上發(fā)生反應。3.Langmuir-Hinshelwood機理通常假設反應物分子在催化劑表面先吸附，然后發(fā)生表面反應，最后生成產(chǎn)物脫附。4.催化劑中毒是指催化劑的活性因吸附了某些毒物分子而顯著降低的現(xiàn)象，這些毒物分子通常具有與反應物相似的__________。5.活性炭作為一種載體，其主要優(yōu)勢在于具有很高的__________和豐富的__________。6.X射線光電子能譜(XPS)主要用于分析物質(zhì)的__________和化學態(tài)。7.程序升溫還原(TPR)技術可以用來表征催化劑中氧化態(tài)活性組分的存在形式以及其__________。8.在設計高效電催化劑時，除了考慮本征活性，還需要關注其__________和長期穩(wěn)定性。9.分子篩催化劑因其具有規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)異的__________和選擇性。10.酶作為生物催化劑，其催化效率極高，主要歸因于其具有高度__________的活性中心和溫和的催化環(huán)境。三、簡答題1.簡述物理吸附和化學吸附的主要區(qū)別。2.解釋什么是催化反應的“本征活性”和“表觀活性”。3.簡述金屬催化劑表面發(fā)生化學吸附的一般過程。四、機理推導題考慮一個簡單的催化循環(huán)，包含吸附反應物A、表面反應生成產(chǎn)物P和產(chǎn)物P的脫附三個步驟。假設吸附為化學吸附且吸附強度相同，表面反應是決速步驟。請推導該催化循環(huán)的速率方程，并說明各符號的含義。五、論述題以CO加氫制甲醇反應為例，論述貴金屬Ru或Rh作為催化劑時，其活性位點、反應機理以及影響活性的關鍵因素（如助劑、載體、反應條件等）如何共同作用。同時，簡要分析該反應在實際應用中面臨的主要挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.A2.B3.A4.D5.C6.B7.B8.C9.C10.B解析1.催化劑改變化學反應的速率，但不改變平衡常數(shù)。A錯誤。2.均相催化通常涉及氣相分子在液相催化劑表面發(fā)生的物理或化學吸附，但經(jīng)典研究多關注化學吸附。B正確。3.Langmuir吸附等溫式基于單分子層吸附、吸附熱不變、表面各處吸附能力均勻等假設。A正確。4.根據(jù)Langmuir吸附模型，吸附物在表面脫附的速率通常與表面覆蓋度θ成正比。θ=KPA，其中K為吸附平衡常數(shù)，P為吸附物分壓。若吸附符合Langmuir模型，則脫附速率r=kθ=kKPA=kP。A正確。（注：更嚴格的推導考慮吸附級數(shù)n，但一級吸附脫附為r=kP）。5.比表面積及孔徑分析（BET）利用N?等氣體在低溫下在固體表面吸附的特性，測定比表面積和孔結(jié)構(gòu)。C正確。6.金屬的d軌道電子參與與吸附物的成鍵（配位作用），增強了吸附相互作用，有利于化學吸附。B正確。7.本征活性是指催化劑活性組分在理想狀態(tài)下的反應速率，排除了擴散等外在因素的影響。B正確。8.根據(jù)反應速率理論，串聯(lián)反應的總速率由最慢的步驟控制，該步驟稱為決速步驟。對于涉及表面反應步驟的催化循環(huán)，該表面反應步驟通常是決速步驟。C正確。9.載體主要提供活性位點、分散活性組分、提高催化劑壽命和穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)反應選擇性等物理化學作用，一般不直接參與表面化學反應過程。C錯誤。10.原位表征技術能夠在反應進行的同時監(jiān)測催化劑的變化，提供更真實、動態(tài)的信息，這是其核心優(yōu)勢。B正確。二、填空題1.表觀飽和吸附量2.共吸附3.共吸附4.吸附位點5.比表面積；孔結(jié)構(gòu)6.元素組成7.還原溫度/溫度8.電化學穩(wěn)定性9.分子篩分10.空間結(jié)構(gòu)解析1.隨著催化劑濃度增加，反應速率增加，直到吸附位點飽和，速率達到最大值，即表觀飽和吸附量。2.Eley-Rideal機理中，分子A在表面吸附后，直接與吸附在表面的分子B反應。3.Langmuir-Hinshelwood機理的核心是反應物在表面吸附后相互接觸并反應。4.能夠與反應物競爭吸附位點的物質(zhì)，因其吸附能力強，會阻礙反應物吸附，表現(xiàn)為中毒。5.活性炭具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，因此比表面積大，孔結(jié)構(gòu)豐富。6.XPS通過測量樣品表面電子能譜，可以確定元素組成及其化學鍵合狀態(tài)（化學態(tài)）。7.TPR通過測量脫附氣體的量隨溫度的變化，可以推斷活性組分的氧化態(tài)及其還原所需的溫度，即還原溫度。8.電催化劑在實際應用中需要在電解液中工作，面臨電極過程動力學、傳質(zhì)、副反應以及長期運行下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等問題。9.分子篩具有精確均一的孔徑，能對分子大小進行篩分，因此具有優(yōu)異的分子篩分效應，并由此帶來高選擇性。10.酶的高效性源于其活性位點具有極高的空間位阻和特異性，以及反應環(huán)境（如pH、溫度）的優(yōu)化。三、簡答題1.物理吸附是分子間范德華力作用的結(jié)果，特點是無選擇性、可逆、吸附熱較低、通常為單分子層。化學吸附是化學鍵作用的結(jié)果，特點是有選擇性、通常不可逆或難可逆、吸附熱較高、可以多分子層。2.本征活性是指在理想條件下（無擴散限制、表面完全覆蓋等），催化劑活性組分本身表現(xiàn)出的反應速率。表觀活性是指在實際反應條件下（可能存在擴散限制、表面未飽和等），測得的催化劑表現(xiàn)出的反應速率。表觀活性通常低于本征活性。3.一般過程：(1)反應物分子A從氣相或液相到達催化劑表面。(2)A在表面特定位置發(fā)生化學吸附，形成吸附物A*，斷裂部分原有化學鍵，表面發(fā)生改變。(3)吸附物A*與其他反應物分子B（可能吸附在表面或其他部位）發(fā)生表面反應，生成表面中間體或吸附物B*。(4)表面中間體或吸附物B*進一步發(fā)生化學轉(zhuǎn)化，生成產(chǎn)物P*。(5)產(chǎn)物P*從表面脫附，釋放能量，使表面恢復原狀，完成一個催化循環(huán)。四、機理推導題設吸附平衡常數(shù)為K_A=K_B=K，吸附熱為ΔH，表面反應步驟（決速步驟）的活化能為E?。根據(jù)Langmuir吸附模型，吸附物A、B在表面的覆蓋度（表面濃度）分別為θ_A=KPA,θ_B=KP^2(假設反應物B吸附級數(shù)為2)。表面反應速率r=k_s*θ_A*θ_B(假設表面反應為元反應)。代入覆蓋度表達式：r=k_s*(KPA)*(KP^2)=k_s*K^2*P^3其中，k_s=exp(-E?/RT)是指表面反應在θ_A=θ_B=1時的表觀速率常數(shù)。令k=k_s*K^2，則速率方程為：r=k*P^3解析：推導基于Langmuir吸附模型和表面反應為決速步驟的假設。吸附平衡常數(shù)K與吸附熱ΔH有關（K=exp(ΔH/RT)），但推導中未顯式寫出ΔH。最終速率方程顯示反應對吸附物P的壓力P具有指數(shù)依賴關系（三級反應），這與表面反應為決速步驟的假設一致。k包含了表面反應活化能E?和吸附平衡常數(shù)K的信息。五、論述題CO加氫制甲醇選用Ru或Rh催化劑時：活性位點與機理：貴金屬Ru和Rh具有豐富的d電子，能夠與CO、H?發(fā)生強烈的化學吸附，形成吸附物CO*、H*。其表面懸空d軌道與吸附物成鍵，降低反應物分子的解離能，活化CO和H?。典型的反應機理（如Eley-Rideal或Langmuir-Hinshelwood機理的結(jié)合）涉及：CO在表面吸附形成CO*，CO*可能直接與吸附的H*反應生成*OH，*OH再與H*反應生成*CH?，最后*CH?脫附生成產(chǎn)物甲醇CH?OH。Rh通常比Ru活性更高，但選擇性可能稍低。影響因素：*活性組分：Ru和Rh原子本身是活性位點。原子分散度至關重要，高分散度提供更多活性位點，提高活性。尺寸效應（原子尺寸影響吸附能）和形貌效應（表面原子排列影響反應路徑）也會影響活性。*助劑：常加入堿金屬（如K）助劑。堿金屬通過靜電效應削弱表面與吸附物（尤其是H?）的相互作用，促進H?解離，從而提高CO加氫活性和選擇性（抑制副產(chǎn)物如積碳）。*載體：載體（如α-Al?O?、SiO?、碳基材料）主要作用是分散活性金屬原子，防止燒結(jié)，提高催化劑壽命和穩(wěn)定性，并提供一定的酸性或基本性環(huán)境。載體性質(zhì)影響金屬分散度、相互作用和穩(wěn)定性。*反應條件：溫度、壓力、空速、H?/CO摩爾比均顯著影響反應速率和產(chǎn)物分布。高溫提高反應速率但可能降低選擇性（促進積碳或脫附），高壓有利于甲醇生成。H?/CO比影響副產(chǎn)物（如甲烷）的生成。挑戰(zhàn)：*CO毒化：CO會強