2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子合成與材料表征技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填入括號(hào)內(nèi)，每題2分，共20分）1.下列哪種方法通常不用于碳-碳單鍵的斷裂？A.均裂B.異裂C.光化學(xué)異構(gòu)化D.加成反應(yīng)2.在有機(jī)合成中，使用保護(hù)基團(tuán)的目的是什么？A.提高反應(yīng)速率B.增加產(chǎn)物的極性C.防止特定官能團(tuán)參與不希望的副反應(yīng)D.增加反應(yīng)的選擇性3.下列哪種光譜技術(shù)主要利用分子中電子躍遷產(chǎn)生的吸收光譜來鑒定有機(jī)物？A.核磁共振（NMR）B.紅外光譜（IR）C.紫外-可見光譜（UV-Vis）D.質(zhì)譜（MS）4.X射線衍射（XRD）技術(shù)主要用于分析什么？A.分子中的化學(xué)鍵B.分子間的相互作用C.物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)D.分子的光學(xué)活性5.下列哪種材料表征技術(shù)能夠提供樣品表面形貌和微區(qū)成分信息？A.核磁共振（NMR）B.掃描電子顯微鏡（SEM）C.熱重分析（TGA）D.紅外光譜（IR）6.點(diǎn)擊化學(xué)（ClickChemistry）的核心思想是什么？A.使用強(qiáng)酸催化B.通過簡(jiǎn)單的、高選擇性的反應(yīng)模塊構(gòu)建復(fù)雜分子C.利用高溫高壓條件D.主要用于聚合反應(yīng)7.在高分子材料中，數(shù)均分子量與質(zhì)均分子量的關(guān)系如何？A.數(shù)均分子量總是大于質(zhì)均分子量B.數(shù)均分子量總是小于質(zhì)均分子量C.兩者總相等D.取決于分子量分布的寬窄8.紅外光譜（IR）中，哪個(gè)區(qū)域的吸收峰主要?dú)w因于X-H鍵的伸縮振動(dòng)（X=O,N,C）？A.4000-2500cm?1B.2500-1500cm?1C.1500-400cm?1D.100-150cm?19.下列哪種表征技術(shù)可以用來測(cè)量材料在程序控溫下的質(zhì)量變化？A.紫外-可見光譜（UV-Vis）B.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）C.熱重分析（TGA）D.原子力顯微鏡（AFM）10.自組裝是指什么過程？A.分子通過非共價(jià)鍵相互作用自發(fā)地形成有序結(jié)構(gòu)B.分子通過共價(jià)鍵化學(xué)鍵合形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)C.分子在外加能量作用下進(jìn)行排列D.分子發(fā)生相變二、填空題（請(qǐng)將正確答案填入橫線上，每空2分，共20分）1.有機(jī)合成中，醇的氧化反應(yīng)可以將其轉(zhuǎn)化為醛、______或羧酸。2.分子式為C?H?O?的羧酸，其紅外光譜在1735cm?1處有一個(gè)強(qiáng)吸收峰，說明含有______官能團(tuán)。3.核磁共振（NMR）中，化學(xué)位移是指______。4.X射線衍射（XRD）技術(shù)依據(jù)的是晶體對(duì)X射線的______現(xiàn)象。5.掃描電子顯微鏡（SEM）利用______束與樣品相互作用產(chǎn)生信號(hào)來成像。6.聚合反應(yīng)按單體結(jié)構(gòu)可分為______聚合和______聚合。7.材料的熱穩(wěn)定性通常可以通過______或______等測(cè)試方法來評(píng)價(jià)。8.在分子設(shè)計(jì)中，利用計(jì)算化學(xué)方法預(yù)測(cè)分子性質(zhì)屬于______表征的范疇。9.紫外-可見光譜（UV-Vis）主要用于研究分子中______躍遷。10.“綠色化學(xué)”在分子合成中的體現(xiàn)，例如使用______溶劑或開發(fā)______反應(yīng)。三、簡(jiǎn)答題（請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問題，每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述親核取代反應(yīng)和親電加成反應(yīng)在機(jī)理上的主要區(qū)別。2.簡(jiǎn)述為什么核磁共振（1HNMR）譜圖中的化學(xué)位移值會(huì)受到鄰近原子或基團(tuán)的影響？3.簡(jiǎn)述X射線衍射（XRD）技術(shù)能夠用于區(qū)分結(jié)晶態(tài)和無定形態(tài)材料的基本原理。4.簡(jiǎn)述在選擇材料表征技術(shù)時(shí)，需要考慮哪些主要因素？四、論述題（請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，全面闡述下列問題，每題15分，共30分）1.設(shè)計(jì)一條合成化合物C?H?CH?OH（苯甲醇）的合理有機(jī)合成路線，并簡(jiǎn)述每步反應(yīng)的原理和關(guān)鍵控制條件。說明選擇該路線的理由，并思考是否有其他可行的路線。2.假設(shè)你獲得了一種新型無機(jī)納米材料，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一套完整的材料表征方案，用于研究其形貌、尺寸、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和表面性質(zhì)。請(qǐng)列出你將選擇的主要表征技術(shù)，并簡(jiǎn)要說明每種技術(shù)用于解決什么問題，以及如何解讀相應(yīng)的表征結(jié)果。試卷答案一、選擇題1.C解析：光化學(xué)異構(gòu)化主要涉及分子內(nèi)電子的激發(fā)和重排，不直接斷裂C-C單鍵。均裂和異裂是化學(xué)鍵斷裂的方式，加成反應(yīng)可能涉及C-C鍵的形成或斷裂，但通常指在雙鍵/三鍵處與其他原子/基團(tuán)結(jié)合。2.C解析：保護(hù)基團(tuán)的作用是暫時(shí)“屏蔽”或“保護(hù)”某一官能團(tuán)，使其在后續(xù)的反應(yīng)中不參與不希望的副反應(yīng)，待目標(biāo)合成完成后再將其“脫除”恢復(fù)活性。這有助于提高合成路線的選擇性和產(chǎn)率。3.C解析：紫外-可見光譜（UV-Vis）利用分子中電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)時(shí)吸收特定波長(zhǎng)的光而產(chǎn)生吸收光譜，主要用于鑒定共軛體系、芳香環(huán)等含有π電子或n→π*、π→π*躍遷的有機(jī)物。NMR基于原子核自旋，IR基于分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷，MS基于分子或離子的質(zhì)荷比。4.C解析：X射線衍射（XRD）是研究物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)。當(dāng)X射線照射到晶體上時(shí)，會(huì)因晶面族間的干涉而產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，其衍射強(qiáng)度和角度與晶胞參數(shù)和原子排列有關(guān)，從而可以確定材料的晶體結(jié)構(gòu)信息。其他選項(xiàng)分別涉及化學(xué)鍵、分子間作用力或宏觀性能。5.B解析：掃描電子顯微鏡（SEM）利用聚焦的高能電子束掃描樣品表面，通過檢測(cè)電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子等信號(hào)來成像，能夠提供樣品表面的高分辨率形貌和微區(qū)成分信息（結(jié)合EDS）。NMR和TGA分別是波譜和熱分析技術(shù)，IR是波譜技術(shù)。6.B解析：點(diǎn)擊化學(xué)的核心思想是利用幾組簡(jiǎn)單的、高選擇性的“化學(xué)反應(yīng)模塊”（如疊氮-炔環(huán)加成），通過“自上而下”或“自下而上”的方式快速、高效地構(gòu)建各種復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)和材料。它強(qiáng)調(diào)反應(yīng)的模塊化、高效率和官能團(tuán)兼容性。A、C、D描述的是一些具體的反應(yīng)條件或應(yīng)用領(lǐng)域，而非核心思想。7.A解析：由于分子量較大的分子對(duì)分子量分布的貢獻(xiàn)權(quán)重更大，因此質(zhì)均分子量（基于分子量平方加權(quán)平均）總是大于或等于數(shù)均分子量（基于分子量線性加權(quán)平均）。只有當(dāng)所有分子量都相同，即所有分子大小一致時(shí)，兩者才相等。8.A解析：紅外光譜中，4000-2500cm?1區(qū)域是X-H鍵（X=O,N,C）的伸縮振動(dòng)區(qū)域。例如，O-H伸縮振動(dòng)在3200-3600cm?1，N-H伸縮振動(dòng)在3300-3500cm?1，C-H伸縮振動(dòng)（如甲基）在2850-3000cm?1。2500-1500cm?1是三鍵區(qū)域，1500-400cm?1是雙鍵區(qū)域，100-150cm?1是單鍵區(qū)域。9.C解析：熱重分析（TGA）是在程序控溫條件下，測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度變化的關(guān)系曲線。通過TGA圖譜可以評(píng)價(jià)材料的熱穩(wěn)定性、分解溫度、氧化起始溫度等信息。UV-Vis是波譜技術(shù)，F(xiàn)TIR是波譜技術(shù)，AFM是表面形貌表征技術(shù)。10.A解析：自組裝是指分子（或納米粒子、聚合物鏈等）通過分子間非共價(jià)鍵（如氫鍵、范德華力、π-π相互作用等）的相互作用，在沒有任何外部干預(yù)的情況下，自發(fā)地形成有序的、周期性或非周期性結(jié)構(gòu)的過程。二、填空題1.醛解析：醇經(jīng)過溫和氧化生成醛，進(jìn)一步氧化則生成羧酸。2.羧基解析：紅外光譜中，羧酸的特征吸收峰在1735-1715cm?1附近，歸屬為羰基（C=O）伸縮振動(dòng)。3.指示劑（化學(xué)位移）中特定原子核（如氫原子）的共振頻率與參考原子核（通常是TMS）的共振頻率之差。4.衍射解析：X射線衍射（XRD）的基礎(chǔ)是晶體對(duì)X射線的衍射現(xiàn)象，即X射線波被晶體點(diǎn)陣周期性結(jié)構(gòu)布拉格反射。5.電子解析：掃描電子顯微鏡（SEM）利用聚焦的高能電子束掃描樣品表面，電子束與樣品相互作用產(chǎn)生二次電子、背散射電子等信號(hào)，探測(cè)器收集這些信號(hào)形成圖像。6.加成；縮合解析：根據(jù)單體結(jié)構(gòu)的不同，聚合反應(yīng)可分為加成聚合（單體分子通過不飽和鍵的斷裂直接加成形成高分子鏈）和縮合聚合（單體分子通過官能團(tuán)反應(yīng)，同時(shí)生成小分子副產(chǎn)物如水、醇等形成高分子鏈）。7.熱重分析（TGA）；差示掃描量熱法（DSC）解析：TGA直接測(cè)量質(zhì)量隨溫度的變化，反映材料的熱穩(wěn)定性和分解行為。DSC測(cè)量材料在程序控溫下吸收或釋放的熱量隨溫度的變化，可以確定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熔點(diǎn)、結(jié)晶峰等熱性能參數(shù)。8.計(jì)算化學(xué)解析：計(jì)算化學(xué)是利用計(jì)算機(jī)模擬和計(jì)算方法來研究分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的科學(xué)，它可以在實(shí)驗(yàn)難以進(jìn)行或成本高昂的情況下提供理論預(yù)測(cè)和洞見，屬于理論表征的范疇。9.電子解析：紫外-可見光譜（UV-Vis）基于分子中電子能級(jí)（主要是價(jià)電子）的躍遷，吸收紫外或可見光區(qū)域（約200-800nm）的能量。10.水相；催化解析：“綠色化學(xué)”強(qiáng)調(diào)使用環(huán)境友好的溶劑（如水相反應(yīng)）和開發(fā)高選擇性、高效率的催化反應(yīng)，以減少對(duì)環(huán)境和人類健康的影響。三、簡(jiǎn)答題1.親核取代反應(yīng)是指親核試劑進(jìn)攻分子中的缺電子中心（通常是離去基團(tuán)連接的碳原子），取代離去基團(tuán)的過程。常見的機(jī)理有SN1（單分子親核取代，分步，生成碳正離子中間體）和SN2（雙分子親核取代，一步，立體中心發(fā)生構(gòu)型翻轉(zhuǎn)）。親電加成反應(yīng)是指親電試劑進(jìn)攻分子中的富電子中心（通常是π鍵），使π鍵斷裂并加成到該碳原子上，生成飽和結(jié)構(gòu)的過程。常見的有鹵化氫對(duì)烯烴/炔烴的加成、親電環(huán)化等。兩者的主要區(qū)別在于：反應(yīng)機(jī)理（一步或分步）、進(jìn)攻試劑的性質(zhì)（親核試劑vs親電試劑）、反應(yīng)中心（缺電子碳vs富電子π鍵）、立體化學(xué)效應(yīng)（SN2構(gòu)型翻轉(zhuǎn)vs加成產(chǎn)物無構(gòu)型變化或順反異構(gòu)）。2.核磁共振（1HNMR）譜圖中的化學(xué)位移（δ值）反映了質(zhì)子所處的局部化學(xué)環(huán)境。質(zhì)子周圍的電子云密度會(huì)影響核外磁場(chǎng)的屏蔽效應(yīng)。不同原子核或基團(tuán)具有不同的電子云分布和電負(fù)性，它們與質(zhì)子之間的相互作用（如通過化學(xué)鍵的極化作用）會(huì)不同程度地增強(qiáng)或減弱局部磁場(chǎng)，從而使得質(zhì)子的共振頻率相對(duì)于參考標(biāo)準(zhǔn)（TMS）發(fā)生偏移，表現(xiàn)為不同的化學(xué)位移值。例如，與電負(fù)性強(qiáng)的原子（如氧、氮）相連的質(zhì)子（如-OH,-NH?）受到的屏蔽較弱，化學(xué)位移值較大（向高場(chǎng)強(qiáng)方向移動(dòng)）；而與烷烴鏈相連的質(zhì)子則受到較強(qiáng)的屏蔽，化學(xué)位移值較小（向低場(chǎng)強(qiáng)方向移動(dòng)）。3.晶態(tài)材料具有長(zhǎng)程有序的晶體結(jié)構(gòu)，其原子或離子在三維空間中呈周期性排列，形成晶面族。當(dāng)X射線照射到晶面上時(shí)，會(huì)滿足布拉格衍射條件（nλ=2dsinθ）而產(chǎn)生強(qiáng)烈的衍射信號(hào)。而無定形態(tài)材料則缺乏長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)，原子排列是無規(guī)或短程有序的。因此，X射線照射無定形態(tài)材料時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的、規(guī)律性的衍射峰，而是表現(xiàn)為一個(gè)彌散的背景（或稱為“衍射環(huán)”）。通過對(duì)比樣品的XRD圖譜是否具有尖銳的衍射峰，可以區(qū)分其是否具有結(jié)晶性。4.選擇材料表征技術(shù)時(shí)需要考慮以下因素：①待研究材料的性質(zhì)和狀態(tài)（是固體、液體還是氣體？是分子晶體、離子晶體、金屬還是聚合物？）；②需要獲取的信息（是結(jié)構(gòu)信息、成分信息、形貌信息、性能信息還是制備過程信息？）；③技術(shù)的適用范圍和局限性（該技術(shù)能否有效探測(cè)目標(biāo)信息？對(duì)樣品是否有損傷？）；④儀器的可及性和成本（實(shí)驗(yàn)室是否具備相應(yīng)的儀器？）；⑤樣品的制備要求（樣品是否需要特殊處理？）；⑥測(cè)量的速度和通量要求（是否需要快速表征大量樣品？）。通常需要根據(jù)研究目的選擇一種或多種技術(shù)組合使用。四、論述題1.合成路線設(shè)計(jì)：第一步：苯（Phenol）+濃硫酸/加熱→苯磺酸（Benzenesulfonicacid）原理：苯在濃硫酸和加熱條件下發(fā)生親電取代反應(yīng)，磺化反應(yīng)。關(guān)鍵條件：濃硫酸作為催化劑和磺化劑，加熱提供反應(yīng)所需的活化能。第二步：苯磺酸（Benzenesulfonicacid）+氫氧化鈉（NaOH）→苯磺酸鈉（Sodiumbenzenesulfonate）+水原理：酸堿反應(yīng)，苯磺酸與氫氧化鈉反應(yīng)生成鹽和水。第三步：苯磺酸鈉（Sodiumbenzenesulfonate）+氯化鋇（BaCl?）→苯磺酸鋇（Bariumbenzenesulfonate）↓+氯化鈉（NaCl）原理：沉淀反應(yīng)，苯磺酸鈉與氯化鋇反應(yīng)生成不溶于水的苯磺酸鋇沉淀。第四步：苯磺酸鋇（Bariumbenzenesulfonate）+碳酸鈣（CaCO?）高溫→苯磺酸（Benzenesulfonicacid）+氧化鋇（BaO）+二氧化碳（CO?）原理：酸式碳酸鹽的熱分解和復(fù)分解反應(yīng)。BaSO?不與CaCO?直接反應(yīng)，但高溫下CaCO?分解生成的CaO可以與BaSO?反應(yīng)生成易分解的BaCO?，進(jìn)而分解得到目標(biāo)酸苯磺酸。第五步：苯磺酸（Benzenesulfonicacid）+氫氧化鈉（NaOH）→苯酚（Phenol）+硫酸鈉（Sodiumsulfate）原理：酸堿反應(yīng)，苯磺酸與過量的氫氧化鈉反應(yīng)，苯磺酸根離子被堿金屬取代生成苯酚。整個(gè)路線通過磺化、成鹽、沉淀、熱解、脫磺化等步驟，將磺酸基團(tuán)引入苯環(huán)，再通過堿解脫磺酸基，最終得到苯甲醇。此路線利用了苯磺酸的性質(zhì)，反應(yīng)步驟相對(duì)明確。其他路線可能包括從苯酚直接鹵代再水解，或利用格氏試劑等，但該路線操作相對(duì)簡(jiǎn)單，是經(jīng)典的有機(jī)合成策略之一。2.表征方案設(shè)計(jì)：目標(biāo)：研究新型無機(jī)納米材料的形貌、尺寸、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和表面性質(zhì)。表征技術(shù)選擇與說明：1.掃描電子顯微鏡（SEM）結(jié)合能譜分析（EDS）：*用途：觀察材料的表面形貌、顆粒大小、分布和聚集狀態(tài)。*解讀：通過SEM圖像可以直觀地評(píng)估納米材料的微觀結(jié)構(gòu)特征，如顆粒形狀是球形、立方體還是不規(guī)則形，粒徑大小及其分布范圍。結(jié)合EDS可以對(duì)材料進(jìn)行微區(qū)元素成分分析，判斷是否含有雜質(zhì)元素或是否存在元素富集/貧化區(qū)域。2.X射線衍射（XRD）：*用途：分析材料的晶體結(jié)構(gòu)、物相組成和結(jié)晶度。*解讀：通過XRD圖譜可以獲得材料的衍射峰位置和強(qiáng)度信息。與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫對(duì)比可以鑒定材料的晶相組成。衍射峰的寬化程度可以反映材料的結(jié)晶尺寸（如晶粒大小）。通過計(jì)算衍射峰強(qiáng)度可以評(píng)估材料的結(jié)晶度。3.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）：