2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫——應(yīng)用化學(xué)在功能性材料合成中的應(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）1.下列哪一項不屬于功能性材料的典型特征？A.具有特殊的物理或化學(xué)性質(zhì)B.可應(yīng)用于特定的高科技領(lǐng)域C.合成過程必須非常復(fù)雜且成本高昂D.其性能可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行調(diào)控2.在應(yīng)用化學(xué)中，強(qiáng)調(diào)原子經(jīng)濟(jì)性和綠色化學(xué)思想，主要目的是為了？A.提高產(chǎn)物的理論收率B.減少環(huán)境污染和能源消耗C.增加反應(yīng)的速率D.使用更昂貴的催化劑3.溶膠-凝膠法是一種常用的材料合成方法，其主要優(yōu)勢包括？A.只適用于合成無機(jī)材料B.可以在較低溫度下進(jìn)行反應(yīng)C.無法制備多孔材料D.對反應(yīng)物純度要求不高4.X射線衍射（XRD）技術(shù)主要用于分析材料的？A.表面元素組成B.晶體結(jié)構(gòu)和物相組成C.微觀形貌和尺寸D.化學(xué)鍵類型和分子結(jié)構(gòu)5.水熱合成法通常在密閉的高壓釜中進(jìn)行，其主要優(yōu)點(diǎn)是？A.只能合成金屬氧化物B.可以在高溫高壓下合成通常條件下難以得到的材料C.不需要使用溶劑D.反應(yīng)速率非?？?.下列哪種材料通常表現(xiàn)出良好的光電轉(zhuǎn)換效率，并被認(rèn)為是太陽能電池的重要材料？A.金屬鋁B.鈦酸鋰C.鈣鈦礦半導(dǎo)體D.石墨烯7.用于制備生物醫(yī)用植入物的材料，首要考慮的性能是？A.高的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性B.良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性C.良好的生物相容性和低毒性D.優(yōu)異的耐腐蝕性和抗氧化性8.自組裝技術(shù)是指利用分子間作用力（如范德華力、氫鍵）使分子或納米顆粒自動組裝成有序結(jié)構(gòu)的過程，其優(yōu)點(diǎn)包括？A.必須在真空條件下進(jìn)行B.可以制備具有特定功能的納米結(jié)構(gòu)，且過程相對簡單C.只能形成一維結(jié)構(gòu)D.對材料種類沒有限制9.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）技術(shù)主要用于分析物質(zhì)的？A.晶體結(jié)構(gòu)B.微觀形貌C.化學(xué)鍵和官能團(tuán)信息D.磁性特性10.在制備多孔材料（如沸石、MOFs）時，其孔徑大小和比表面積主要取決于？A.合成溶劑的種類B.晶體的堆積方式C.溶膠-凝膠反應(yīng)的pH值D.沉淀反應(yīng)的溫度二、填空題（每空2分，共20分）1.功能性材料通常指具有______、______或______等特殊性質(zhì)，并能在特定領(lǐng)域得到應(yīng)用的材料。2.應(yīng)用化學(xué)在材料合成中強(qiáng)調(diào)綠色化學(xué)原則，例如______、______和______。3.水熱合成法是指在______條件下，利用水作為溶劑或介質(zhì)進(jìn)行材料合成的方法。4.X射線光電子能譜（XPS）技術(shù)主要用于分析材料的______和______。5.半導(dǎo)體材料在光電轉(zhuǎn)換、信息存儲等領(lǐng)域有重要應(yīng)用，其導(dǎo)電性介于______和______之間。6.生物醫(yī)用材料在應(yīng)用于人體前，必須滿足______、______和______等基本要求。7.自組裝按照驅(qū)動力不同可分為______自組裝和______自組裝。8.表征材料結(jié)構(gòu)常用的技術(shù)還有掃描電子顯微鏡（______）和透射電子顯微鏡（______）。9.溶膠-凝膠法通常包括溶膠形成和______兩個主要階段。10.多孔材料因其大的______和______而被廣泛應(yīng)用于吸附、催化等領(lǐng)域。三、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.功能性材料2.原子經(jīng)濟(jì)性3.水熱合成4.X射線衍射（XRD）5.生物相容性四、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述溶膠-凝膠法合成材料的基本過程。2.解釋什么是綠色化學(xué)，并列舉其在材料合成中的至少三個體現(xiàn)。3.說明X射線衍射（XRD）技術(shù)用于分析材料晶體結(jié)構(gòu)的基本原理。4.闡述材料性能與其微觀結(jié)構(gòu)（如晶體結(jié)構(gòu)、形貌、缺陷等）之間的關(guān)系。五、論述題（10分）結(jié)合具體實例，論述應(yīng)用化學(xué)在開發(fā)新型功能性材料（如半導(dǎo)體光電器件材料、高效催化劑材料等）中的關(guān)鍵作用和面臨的主要挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.B4.B5.B6.C7.C8.B9.C10.B二、填空題1.特殊的物理，特殊的化學(xué)，特定的功能2.使用無害原料，提高原子經(jīng)濟(jì)性，減少廢棄物產(chǎn)生3.高溫高壓4.化學(xué)組成，元素化學(xué)價態(tài)5.導(dǎo)體，絕緣體6.生物相容性，生物安全性，生物功能性7.物理力，化學(xué)力8.SEM,TEM9.凝膠化10.比表面積，孔體積三、名詞解釋1.功能性材料：指具有特殊性質(zhì)（如光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、傳感、催化等），并能在特定領(lǐng)域得到應(yīng)用的化學(xué)材料。2.原子經(jīng)濟(jì)性：指在化學(xué)反應(yīng)中，目標(biāo)產(chǎn)物質(zhì)量占所有反應(yīng)物總質(zhì)量的百分比，表示反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為有用產(chǎn)物的效率，綠色化學(xué)的重要原則之一。3.水熱合成：指在高溫（通常高于100°C）和高壓（通常等于或大于1個大氣壓）的密閉容器中，利用水作為溶劑或介質(zhì)進(jìn)行材料合成的方法。4.X射線衍射（XRD）：利用X射線與晶體物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象，來分析材料的晶體結(jié)構(gòu)、物相組成、晶粒尺寸、晶格應(yīng)變等信息的物理技術(shù)。5.生物相容性：指材料與生物體接觸時，不會引起嚴(yán)重的組織損傷、免疫排斥或毒性反應(yīng)，并能適應(yīng)生物環(huán)境的能力。四、簡答題1.溶膠-凝膠法合成材料的基本過程包括：①溶膠形成：將可溶性前驅(qū)體（如金屬醇鹽、無機(jī)鹽等）溶解在溶劑中，通過水解、縮聚等化學(xué)反應(yīng)形成溶質(zhì)粒子分散在溶劑中形成溶膠；②凝膠化：通過控制條件（如pH值、溫度、溶劑揮發(fā)等），使溶膠中的粒子相互連接形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)槟z；③干燥：去除溶劑或凝膠中的小分子，得到凝膠骨架；④（最終）熱處理：對凝膠進(jìn)行干燥或煅燒，去除有機(jī)成分，最終得到所需材料（如陶瓷、玻璃等）。2.綠色化學(xué)是指旨在從源頭上減少或消除化學(xué)產(chǎn)品的設(shè)計、制造和應(yīng)用中對人類健康和環(huán)境有害物質(zhì)的使用和產(chǎn)生的科學(xué)和工程學(xué)科。其在材料合成中的體現(xiàn)：①使用無害或低毒的原料，減少有害物質(zhì)的引入；②提高原子經(jīng)濟(jì)性，使反應(yīng)物盡可能多地轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物，減少副產(chǎn)物和廢棄物；③開發(fā)綠色合成路線，如采用水相合成、光催化合成、酶催化合成等環(huán)境友好的方法；④設(shè)計可降解或可回收的產(chǎn)品，減少長期環(huán)境污染。3.X射線衍射（XRD）技術(shù)用于分析材料晶體結(jié)構(gòu)的基本原理是：當(dāng)一束具有特定波長（通常為0.05-0.25納米）的X射線照射到晶體材料上時，會被晶體中的原子或離子散射。由于晶體具有周期性的原子排列，不同晶面族的散射波會發(fā)生干涉。滿足布拉格衍射條件的晶面族會產(chǎn)生強(qiáng)烈的衍射峰。通過測量這些衍射峰的衍射角（2θ）和相對強(qiáng)度，并與已知晶體結(jié)構(gòu)的衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，就可以確定材料的晶體結(jié)構(gòu)（空間點(diǎn)陣類型）、物相組成、晶粒尺寸、晶格常數(shù)、微觀應(yīng)變等信息。4.材料性能與其微觀結(jié)構(gòu)之間存在密切的構(gòu)效關(guān)系：①晶體結(jié)構(gòu)：決定材料的基本力學(xué)性能（如硬度、彈性模量）、熱學(xué)性能（如熱導(dǎo)率）、電學(xué)性能（如導(dǎo)電性、半導(dǎo)體特性）和光學(xué)性能（如折射率、色散）。例如，金屬的晶體結(jié)構(gòu)（面心立方、體心立方等）影響其延展性或脆性；半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)決定其導(dǎo)電類型和帶隙寬度。②形貌：材料的顆粒大小、形狀、分布和比表面積等影響其力學(xué)性能（如強(qiáng)度、耐磨性）、光學(xué)性能（如散射、衍射）、催化活性（表面積效應(yīng)）和藥物釋放速率（如表面積和孔隙）。例如，納米顆粒通常具有更高的表面能和活性。③缺陷：晶體點(diǎn)缺陷（空位、填隙原子）、線缺陷（位錯）、面缺陷（晶界）和體缺陷（氣孔、夾雜）等會顯著影響材料的力學(xué)性能（位錯運(yùn)動受晶界阻礙使強(qiáng)度提高）、電學(xué)性能（能帶結(jié)構(gòu)改變）、磁學(xué)性能和催化性能。五、論述題應(yīng)用化學(xué)在開發(fā)新型功能性材料中扮演著核心角色。首先，應(yīng)用化學(xué)家通過深入研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，設(shè)計和選擇合適的化學(xué)前驅(qū)體和合成路線（如溶膠-凝膠、水熱、自組裝、刻蝕等），控制材料的微觀結(jié)構(gòu)（晶體結(jié)構(gòu)、形貌、尺寸、缺陷、組成等），從而精確調(diào)控材料的性能以滿足特定應(yīng)用需求。例如，通過化學(xué)合成和摻雜技術(shù)制備具有特定能帶結(jié)構(gòu)和光電轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦半導(dǎo)體材料，用于高效太陽能電池；通過表面化學(xué)修飾和催化反應(yīng)設(shè)計合成具有高選擇性和活性的多相催化劑，用于能源轉(zhuǎn)化和環(huán)境保護(hù)。其次，應(yīng)用化學(xué)廣泛利用各種現(xiàn)代分析表征技術(shù)（如XRD,SEM,TEM,XPS,FTIR,UV-Vis等），對合成材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)、組成和性能的精確表征和深入理解，為性能優(yōu)化和機(jī)理研究提供關(guān)鍵信息。然而，開發(fā)新型功能性材料也面臨諸多挑戰(zhàn)：①合成難度大：許多高性能材料（如二維材料、量子點(diǎn)、鈣鈦礦）的合成條件苛刻，產(chǎn)物純化和結(jié)構(gòu)控制難度高。②性能優(yōu)化：如何進(jìn)一步提升材料的特定性能（如效率、穩(wěn)定性、壽命）并實現(xiàn)多性能的協(xié)同優(yōu)