2025年大學《化學》專業(yè)題庫——染料的合成及其在工業(yè)中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)）1.下列哪種化合物通常不被認為是染料或顏料中的發(fā)色團？A.偶氮苯(-N=N-)B.酞菁環(huán)C.羧基(-COOH)D.芳香胺(-NH?)2.偶氮染料的合成核心步驟是：A.酯化反應B.重氮化反應和偶合反應C.還原反應D.酰化反應3.還原染料通常采用什么方法進行制備？A.直接偶合B.重氮化-偶合C.可逆加成-分裂（RAS）機理下的還原D.芳香環(huán)的親電取代4.在活性染料染色中，活性基團的作用是：A.作為發(fā)色團B.增加染料水溶性C.與纖維發(fā)生共價鍵合D.提供陰離子性5.下列哪種染料工業(yè)過程與含硫化合物的大量排放密切相關(guān)？A.偶氮染料合成B.酞菁染料合成C.硫化染料染色D.活性染料合成6.冰染料（Leuco-dyes）在染色過程中起到的作用是：A.最終色光來源B.生成隱色體，后經(jīng)氧化顯色C.增加染料牢度D.提高染料溶解度7.染料的光牢度（特別是日曬牢度）主要與哪些因素有關(guān)？（多選）A.染料分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性B.染料與纖維之間的結(jié)合強度C.染料分子吸收光的波長D.染料中的雜原子（如氮、氧、硫）8.在染料工業(yè)中，采用水相合成而非有機相合成，通常是為了：A.提高反應速率B.減少環(huán)境污染，易于后處理C.增加產(chǎn)物產(chǎn)率D.降低生產(chǎn)成本9.下列哪種技術(shù)不屬于染料綠色化學發(fā)展的范疇？A.開發(fā)低毒或無毒的合成中間體B.使用可再生生物質(zhì)資源合成染料C.采用催化反應減少副產(chǎn)物生成D.增加染料合成過程中的溶劑使用量10.選擇染料用于特定應用（如食品著色）時，首要考慮的因素是：A.染料的鮮艷度B.染料的成本C.染料的安全性（毒性、遷移性）D.染料的溶解性二、填空題（每空2分，共20分）1.染料分子中能夠吸收可見光并產(chǎn)生顏色的發(fā)色部分稱為________。2.常用的偶合組分通常含有________基團。3.硫化染料主要用于對棉織物進行________染色。4.活性染料因含有能與纖維分子發(fā)生________反應的活性基團而得名。5.酞菁染料是一類具有________環(huán)結(jié)構(gòu)的金屬或非金屬配合物。6.染料工業(yè)產(chǎn)生的廢水處理難點之一是其中的________鹽難以降解。7.在染色過程中，為了防止染料在纖維上不均勻分布，常加入________。8.哈伯法是合成酞菁染料常用的一種________法。9.染料的溶解性是影響其在某些應用（如涂料、塑料著色）中分散性的重要因素。10.綠色化學原則要求從源頭上減少或消除有害物質(zhì)的使用和產(chǎn)生，例如開發(fā)________合成路線。三、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.發(fā)色團2.牢度3.重氮化4.冰染料5.綠色化學四、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述偶氮染料重氮化反應的條件和影響因素。2.比較活性染料和直接染料在染色性能（如勻染性、牢度）和應用方面的主要差異。3.簡述染料工業(yè)廢水的主要污染物種類及其潛在危害。4.簡述染料合成中選擇綠色溶劑或無溶劑體系的意義。五、反應式書寫與機理分析題（共25分）1.（10分）寫出2-硝基苯胺與3-氯-4-硝基苯磺酸在水溶液中合成某偶氮染料（以偶合產(chǎn)物結(jié)構(gòu)式表示）的詳細反應方程式，并簡要說明該偶合反應屬于哪種類型（親核取代或親電加成）。2.（15分）簡述硫化染料（以典型的雙硫化苯胺為例）在堿性介質(zhì)中還原成隱色體鈉鹽的過程，并寫出關(guān)鍵步驟的反應方程式。說明該隱色體為什么能夠上染棉纖維，以及上染后如何通過氧化恢復其染料形態(tài)。六、論述題（15分）結(jié)合具體實例，論述染料工業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展需要考慮的關(guān)鍵因素及其對策。試卷答案一、選擇題1.C解析思路：發(fā)色團是能吸收可見光并產(chǎn)生顏色的基團或結(jié)構(gòu)，如偶氮基(-N=N-)、共軛體系、雜環(huán)等。羧基(-COOH)是酸性官能團，本身不直接負責發(fā)色，但可以影響染料性質(zhì)。2.B解析思路：偶氮染料的核心結(jié)構(gòu)是-N=N-，其合成路線就是通過芳香伯胺的重氮化（生成重氮鹽）與酚類或胺類化合物偶合，形成偶氮鍵。這是該類染料最典型和基本的合成方法。3.C解析思路：硫化染料通常指分子中含有硫原子（如-S-S-鍵）的染料，其制備方法獨特，通常是將可溶性的染料分子（常為蔥醌或苯胺衍生物）在高溫高壓的堿性介質(zhì)中將硫原子引入分子中，再進行還原。這個過程涉及分子結(jié)構(gòu)的改變和還原過程，與一般的親電取代或偶合不同。4.C解析思路：活性染料的“活性”體現(xiàn)在其分子結(jié)構(gòu)中含有一個易與纖維（主要是棉、麻、粘膠等天然纖維）分子上的羥基、氨基等發(fā)生化學反應的活性基團（如乙烯砜基-SO2-CH=CH?或均三嗪類活性基團）。這種共價鍵合是活性染料牢度較高的主要原因。5.C解析思路：硫化染料主要應用于棉織物的染色，其合成過程通常涉及硫磺或硫化鈉，反應條件苛刻，容易產(chǎn)生硫化氫(H?S)、硫化鈉(Na?S)等含硫廢氣和水溶液。這些含硫化合物是主要的污染源之一。其他選項所述染料的典型污染問題不同。6.B解析思路：冰染料是一類由染料（稱色基）和助染劑（稱冰染劑或隱色基）組成的復配物。在染色時，染料首先溶解于水，然后在堿性條件下與冰染劑反應生成無色的、水溶性的隱色體鈉鹽。該隱色體上染纖維后，再經(jīng)酸處理或氧化，恢復為有色的染料分子，從而獲得色牢度較好的染色效果。7.A,B,D解析思路：染料的光牢度涉及多個方面。分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（A）是抵抗光化學降解的基礎；與纖維結(jié)合強度（B）影響日曬牢度和摩擦牢度；吸收光波長（C）影響其在可見光中的吸收情況，長波長的吸收通常與較好的日曬牢度相關(guān)；分子中含有雜原子（如N,O,S）往往能增加分子的共軛體系和極性，可能影響光吸收和穩(wěn)定性（D）。8.B解析思路：水相合成通常使用水作為溶劑，介質(zhì)環(huán)境友好，廢水易于處理（如生物降解），產(chǎn)生的污泥也相對容易管理。相比之下，有機相合成常使用有機溶劑，存在易燃、易爆、毒性以及溶劑回收和廢液處理困難等問題。選擇水相合成是染料綠色化學的重要體現(xiàn)。9.D解析思路：綠色化學旨在從源頭上減少或消除有害物質(zhì)的使用和產(chǎn)生。開發(fā)低毒無毒中間體（A）、使用可再生生物質(zhì)資源（B）、采用催化反應減少副產(chǎn)物（C）均符合綠色化學原則。增加溶劑使用量（D）會增加資源消耗、能耗和廢液排放，與綠色化學理念背道而馳。10.C解析思路：染料用于食品、藥品、化妝品等直接接觸人體的領(lǐng)域時，其安全性（包括毒性、是否會產(chǎn)生有害代謝物、是否會在食品中遷移等）是首要考慮因素。鮮艷度（A）、成本（B）和溶解性（D）雖然也很重要，但都必須在確保安全的前提下進行考慮。二、填空題1.發(fā)色團解析思路：這是染料能夠顯色的基本結(jié)構(gòu)單元的定義。2.酚或胺解析思路：在偶氮染料的偶合反應中，常用的偶合組分是含有酚羥基(-OH)的化合物（稱酚類偶合組分）或含有伯胺(-NH?)的化合物（稱胺類偶合組分）。3.還原解析思路：硫化染料因其分子中含有硫原子，通常采用還原染色法，將不溶于水的染料粉末在堿性還原液中還原成水溶性的隱色體鈉鹽上染纖維，再經(jīng)氧化顯色。4.共價鍵解析思路：活性染料的“活性”在于其活性基團能與纖維上的羥基或氨基發(fā)生不可逆的共價鍵合，從而賦予染料良好的濕處理牢度。5.菲解析思路：酞菁染料的基本結(jié)構(gòu)單元是菲羅啉（Phenothiazine）衍生物，其核心環(huán)系由四個苯環(huán)稠合而成，稱為四苯并菲結(jié)構(gòu)。6.氰化物解析思路：染料工業(yè)，特別是某些偶氮染料、硫化染料的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生含氰廢水，其中的氰離子(CN?)是劇毒污染物，難以生物降解。7.勻染劑解析思路：為了使染料在織物上均勻分布，避免出現(xiàn)色花、色差等疵病，在染色過程中需要加入勻染劑，它可以幫助染料緩慢、均勻地上染纖維。8.還原解析思路：哈伯法（HaberProcess）是工業(yè)上合成三苯基甲烷類酞菁染料（如孔雀綠、亞甲基藍等）的經(jīng)典方法，其核心步驟是將苯胺在高溫高壓下進行分子間的縮合環(huán)化反應。9.溶解性解析思路：染料的溶解性決定了它是否能以溶液形式用于浸染、印花等濕法染色工藝，或者是否能均勻分散在涂料、塑料等介質(zhì)中進行著色。10.無毒解析思路：綠色化學要求合成路線安全、環(huán)境友好。開發(fā)無毒合成路線意味著在合成過程中不使用或盡量少使用有毒的原料、試劑，減少有毒廢棄物的產(chǎn)生。三、名詞解釋1.發(fā)色團：染料分子中能夠吸收可見光并產(chǎn)生顏色的結(jié)構(gòu)單元，通常含有共軛體系或雜原子，是決定染料光譜性質(zhì)和顏色的關(guān)鍵部分。2.牢度：指染料在染色后，其顏色抵抗各種外界作用（如光、熱、水、摩擦、洗滌、汗?jié)n等）而保持原有色澤的能力。3.重氮化：指在強酸性條件下，芳香伯胺與亞硝酸鈉作用，生成不穩(wěn)定的重氮鹽的過程。這是合成偶氮化合物的重要步驟。4.冰染料：由一個水溶性的染料（稱色基）和一個不溶性的助染劑（稱冰染劑或隱色基）組成的復配物。染色時色基生成隱色體上染纖維，再氧化顯色，具有色牢度好、色譜齊全等優(yōu)點。5.綠色化學：是一門旨在從源頭上減少或消除有害物質(zhì)的使用和產(chǎn)生的化學，通過化學的原理和方法，設計更安全、更環(huán)境友好的化學產(chǎn)品和化學過程。四、簡答題1.偶氮染料重氮化反應通常在0-5°C的冰水或冷水中進行，以苯磺酸、對甲苯磺酸等強酸性介質(zhì)控制pH值在1-2之間。反應需要亞硝酸鈉和濃硫酸（或發(fā)煙硫酸）。影響因素包括：溫度（低溫有利于重氮鹽生成，高溫易分解）；酸的種類和濃度（提供足夠H?，防止亞硝酸鈉分解）；亞硝酸鈉的濃度和加入速度（避免局部過濃導致重氮鹽分解）；攪拌（保證反應物混合均勻）；反應時間。催化劑如鎢酸、氟化物等有時也會被使用。2.活性染料與直接染料相比：①勻染性通常更好，因為染料上染纖維后能進一步擴散；②在纖維素纖維上的濕處理牢度（如皂洗、汗?jié)n牢度）通常優(yōu)于直接染料，因為活性染料能與纖維形成共價鍵；③直接染料色譜更齊全，特別是深色和黑色；④活性染料成本通常較高；⑤直接染料對織物的手感影響可能較??；⑥活性染料染色需嚴格控制工藝條件，否則易產(chǎn)生色花，且含氯廢水處理要求高。3.染料工業(yè)廢水的主要污染物包括：①含氮化合物（如重氮鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、酰胺類等，主要來自偶氮、活性染料等合成）；②含硫化合物（如硫化物、硫酸鹽、氰化物等，主要來自硫化染料合成）；③大量有機物（染料母體、中間體、助劑等）；④無機鹽（鈉鹽、鈣鹽、氯化物、硫酸鹽等，導致水體富營養(yǎng)化）；⑤水溶性的染料分子（造成水體污染和色度）。這些污染物可能對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成危害，如氰化物劇毒，含氮、硫廢水難以降解，高鹽度影響水體生態(tài)。4.選擇綠色溶劑或無溶劑體系的意義在于：①減少對環(huán)境有害的揮發(fā)性有機化合物（VOCs）的排放，改善工作環(huán)境空氣質(zhì)量和周邊大氣環(huán)境；②減少廢水處理的負擔和成本，因為水是相對容易處理和回收的介質(zhì)；③節(jié)約能源，通常水的汽化熱低于有機溶劑；④提高生產(chǎn)過程的安全性和可持續(xù)性，符合環(huán)保法規(guī)要求，提升企業(yè)社會形象；⑤有助于減少廢棄物產(chǎn)生，實現(xiàn)資源循環(huán)利用。五、反應式書寫與機理分析題1.(10分)反應方程式：(NO?)?C?H?NH?+HNO?+H?SO?→(NO?)?C?H?-N=N-C?H?SO?Na+2H?O(2-硝基苯胺)+(亞硝酸)+(硫酸)→(偶氮染料偶合產(chǎn)物)+(水)偶合產(chǎn)物結(jié)構(gòu)式（以一個為例）：NO?NO?/\HO-C?H?-N=N-C?H?SO?Na\/NO?機理分析：該偶合反應屬于親核取代（SNAr）類型。重氮鹽(-N??)作為親電試劑，其芳香環(huán)對親核試劑具有親電性。苯胺(-NH?)中的氮原子含有孤對電子，作為親核試劑進攻重氮鹽的芳香環(huán)，取代了連接在重氮氮原子上的離去基團（通常是與亞硝酸反應生成的N?或N?O?），同時偶氮鍵(-N=N-)形成。2.(15分)還原過程關(guān)鍵步驟及方程式：a.染料分子與堿反應生成隱色體鈉鹽：(R-S-S-R'+NaOH+H?O)→[R-Na-S?-S?-Na-R']+H?S(或R-SNa+Na?S+H?O)(以R-S-S-R'代表雙硫化苯胺染料)堿性條件下隱色體鈉鹽結(jié)構(gòu)式（示意）：Na?Na?||R-N-S-S-N-R'||(水溶性)b.隱色體上染棉纖維：[R-Na-S?-S?-Na-R']+纖維(-OH)→[R-S-S-Na-O-C?H??O?-S?-Na]+NaOH隱色體離子與棉纖維上的羥基發(fā)生離子-偶極作用或離子-離子相互作用，嵌入纖維內(nèi)部。上染原理：隱色體鈉鹽是離子型或極性分子，具有一定的水溶性，能夠通過離子引力或氫鍵作用與帶有負電荷或極性基團的棉纖維表面發(fā)生結(jié)合，從而將染料分子帶入纖維內(nèi)部。氧化恢復過程（酸處理或氧化）：[R-S-S-Na-O-C?H??O?-S?-Na]+H?(或[R-S-S-Na-O-C?H??O?-S?-Na]+[O?/H?O?])→R-S-S-R'+Na?+H?O(或NaOH/其他氧化產(chǎn)物)隱色體在酸性條件下，質(zhì)子化后與纖維的親和力降低而釋出，同時失去鈉離子，恢復成不溶于水的、有色的染料分子R-S-S-R'，從而在纖維上呈現(xiàn)顏色。六、論述題染料工業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展需要考慮的關(guān)鍵因素及其對策包括：1.原料選擇與合成路線優(yōu)化：*因素：原料來源的可持續(xù)性、原料的毒性和環(huán)境影響、合成步驟的原子經(jīng)濟性、能耗。*對策：開發(fā)和使用可再生生物質(zhì)來源的原料；優(yōu)先選用低毒或無毒的