2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫——應(yīng)用化學(xué)在工業(yè)制造中的應(yīng)用探索考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述應(yīng)用化學(xué)在石油化工領(lǐng)域合成基礎(chǔ)有機(jī)原料（如乙烯、丙烯、芳烴等）中的核心作用。請分別說明熱裂解和催化裂化兩種主要工藝的化學(xué)反應(yīng)原理、主要產(chǎn)物及各自的特點。二、在無機(jī)材料（如陶瓷、玻璃、無機(jī)鹽等）的工業(yè)制造過程中，化學(xué)原理起著至關(guān)重要的作用。請列舉至少三種不同的化學(xué)原理或方法，并簡述它們是如何應(yīng)用于無機(jī)材料的制備或改性的。例如，可以涉及沉淀反應(yīng)、溶膠-凝膠法、熱力學(xué)控制、表面化學(xué)等。三、以高分子材料（如塑料、橡膠）的合成與加工為例，說明化學(xué)原理在工業(yè)制造中的應(yīng)用。請闡述聚合反應(yīng)類型（加成聚合、縮聚聚合等）對最終材料性能的影響，并討論催化劑、引發(fā)劑在聚合過程中的作用。此外，簡述高分子材料加工成型（如熔融擠出、注塑）中涉及的熱力學(xué)和流變學(xué)原理。四、工業(yè)制造過程往往伴隨著能量轉(zhuǎn)換和傳遞。請選擇一種具體的工業(yè)化學(xué)過程（例如，合成氨、硫酸生產(chǎn)、電解精煉等），分析其中關(guān)鍵步驟的能量變化（放熱或吸熱），并說明工業(yè)上通常采用哪些方法來提高能量利用效率或進(jìn)行熱量回收。結(jié)合化學(xué)動力學(xué)或熱力學(xué)原理進(jìn)行解釋。五、綠色化學(xué)理念強(qiáng)調(diào)從源頭上減少或消除有害物質(zhì)的使用和產(chǎn)生。請結(jié)合精細(xì)化學(xué)品或農(nóng)藥等領(lǐng)域的工業(yè)制造實例，探討綠色化學(xué)原則（如原子經(jīng)濟(jì)性、使用可再生原料、設(shè)計可降解產(chǎn)品、減少有毒溶劑使用等）是如何在實際工業(yè)過程中被應(yīng)用或可以應(yīng)用的。分析實施綠色化學(xué)技術(shù)可能面臨的挑戰(zhàn)。六、催化技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)制造中具有不可替代的地位。請選擇一種重要的工業(yè)催化過程（如合成氨的哈伯-博施法、乙烯氧化的銀催化劑法、水的分解制氫等），詳細(xì)說明該催化劑的作用機(jī)理（可結(jié)合化學(xué)吸附、活性位點理論等）。并探討催化劑的活性、選擇性、穩(wěn)定性對于該工業(yè)過程的經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性的重要意義。七、現(xiàn)代工業(yè)制造對材料性能的要求日益提高，化學(xué)表面處理技術(shù)扮演著重要角色。請描述至少兩種不同的化學(xué)表面處理方法（如陽極氧化、化學(xué)鍍、等離子體處理、表面接枝等），并說明它們是如何用于改善材料表面性能（如耐磨性、耐腐蝕性、生物相容性、附著力等）的。結(jié)合表面化學(xué)原理進(jìn)行解釋。八、隨著科技發(fā)展，新型能源（如太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能）的轉(zhuǎn)化和利用成為工業(yè)制造的重要方向。請選擇一種具體的能源轉(zhuǎn)化或利用的化學(xué)途徑（如太陽能光熱轉(zhuǎn)換、光合作用模擬、鋰電池電化學(xué)儲能等），闡述其中涉及的關(guān)鍵化學(xué)反應(yīng)原理。探討當(dāng)前該技術(shù)在工業(yè)化應(yīng)用中面臨的主要科學(xué)挑戰(zhàn)和技術(shù)瓶頸，并提出可能的改進(jìn)方向或探索思路。試卷答案一、應(yīng)用化學(xué)通過提供反應(yīng)原理、催化劑和工藝設(shè)計，使原料（如石腦油、天然氣）在高溫或催化作用下發(fā)生裂解，轉(zhuǎn)化為價值更高的烯烴（乙烯、丙烯）和芳烴等基礎(chǔ)有機(jī)原料。熱裂解原理：在高溫（750-950°C）無催化劑條件下，長鏈烴分子斷裂成短鏈烯烴和烷烴。主要產(chǎn)物：乙烯、丙烯、甲烷、C4餾分等。特點：產(chǎn)物分布難以控制，烯烴選擇性不高，能耗高。催化裂化原理：在較低溫度（450-550°C）和催化劑（如Y型沸石）作用下，重質(zhì)烴類發(fā)生深度裂化和異構(gòu)化。主要產(chǎn)物：更多乙烯、丙烯、甲烷，以及汽油、煤油、柴油等輕質(zhì)油。特點：能將重油轉(zhuǎn)化為更多輕質(zhì)液體燃料和烯烴，烯烴選擇性高，工藝靈活。二、化學(xué)原理在無機(jī)材料制造中的應(yīng)用：1.沉淀反應(yīng)：用于制備無機(jī)鹽或氧化物粉末。例如，制備氫氧化鐵：FeCl3溶液+NaOH溶液→Fe(OH)3↓+3NaCl。通過控制pH值、溫度和沉淀劑濃度，可控制沉淀物的晶型、粒度和純度。2.溶膠-凝膠法：用于制備精細(xì)陶瓷、玻璃陶瓷等。將金屬醇鹽或無機(jī)鹽溶解，經(jīng)水解形成溶膠，再通過縮聚反應(yīng)形成凝膠，最后經(jīng)干燥、燒結(jié)得到材料。該方法可在較低溫度下合成，顆粒細(xì)小均勻，純度高，易于控制微觀結(jié)構(gòu)。3.熱力學(xué)控制：在陶瓷制備中，通過精確控制燒結(jié)溫度和氣氛，使目標(biāo)相按熱力學(xué)優(yōu)勢穩(wěn)定析出并長大，同時抑制雜相生成，從而獲得所需的晶相組成和微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能。例如，控制SiO2-Al2O3系統(tǒng)的燒結(jié)，獲得剛玉或莫來石為主晶相的陶瓷。三、聚合反應(yīng)類型影響材料鏈結(jié)構(gòu)：加成聚合（如聚乙烯）形成直鏈高聚物，通常結(jié)晶度高，熱塑性較好；縮聚聚合（如聚酯、尼龍）形成帶有鏈端官能團(tuán)的長鏈，常為半結(jié)晶或無定形態(tài)，可能具有熱固性或熱塑性，且常伴有小分子副產(chǎn)物。催化劑/引發(fā)劑作用：引發(fā)劑（如過氧化物）提供自由基或離子，啟動鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；催化劑（如Ziegler-Natta催化劑、陽離子/陰離子催化劑）不僅能引發(fā)聚合，還能控制鏈增長方向（如立體定向聚合），影響分子量分布和鏈構(gòu)型。加工原理：熔融擠出/注塑涉及高分子熔體的流動和變形。熱力學(xué)原理：熔體需加熱到熔點以上，降低粘度，同時分子鏈段運動加?。涣髯儗W(xué)原理：熔體在剪切力作用下發(fā)生粘性流動，填充模腔；冷卻后固化定型，最終決定制品的形狀和尺寸。四、選擇合成氨（哈伯-博施法）為例。關(guān)鍵步驟能量變化：N2+3H2<=>2NH3為強(qiáng)烈放熱反應(yīng)（ΔH<0）。高溫有利于正向反應(yīng)平衡，但高溫下反應(yīng)速率慢；低溫有利于平衡，但速率過慢。節(jié)能方法與原理：1.分級回收熱量：反應(yīng)釋放的大量熱量通過中間冷卻器逐步回收，用于預(yù)熱反應(yīng)物，提高能源利用效率。2.循環(huán)未反應(yīng)氣體：分離未反應(yīng)的N2、H2，返回反應(yīng)器，提高原料利用率，間接節(jié)約能源。3.優(yōu)化操作條件：通過熱力學(xué)和動力學(xué)分析，找到最佳反應(yīng)溫度、壓力和催化劑，平衡反應(yīng)速率和平衡轉(zhuǎn)化率，實現(xiàn)節(jié)能高產(chǎn)。催化劑（Fe基）能顯著降低活化能，使反應(yīng)在相對較低溫度下進(jìn)行。五、精細(xì)化學(xué)品（如染料、農(nóng)藥）制造實例：1.原子經(jīng)濟(jì)性：設(shè)計合成路線，使目標(biāo)產(chǎn)物原子盡可能多地進(jìn)入最終產(chǎn)品，減少副產(chǎn)物。例如，使用高效催化劑減少不必要的副反應(yīng)。2.可再生原料：使用生物質(zhì)-derived原料替代化石原料。例如，利用糖類發(fā)酵生產(chǎn)生物基溶劑或聚合物。3.可降解產(chǎn)品：設(shè)計易于環(huán)境降解的化學(xué)結(jié)構(gòu)。例如，在農(nóng)藥分子引入易水解或易氧化的基團(tuán)。4.減少有毒溶劑：選用更安全的溶劑（如水、超臨界CO2）或無溶劑工藝（如熔融反應(yīng)）。例如，使用微反應(yīng)器技術(shù)減少溶劑用量和揮發(fā)。挑戰(zhàn)：綠色化學(xué)路線可能成本更高，技術(shù)成熟度較低，或?qū)υO(shè)備要求更苛刻。六、選擇合成氨的哈伯-博施法為例。催化劑作用機(jī)理：Fe2O3基催化劑表面吸附N2分子，N≡N三鍵被弱化，N原子孤對電子與Fe表面提供空軌道形成配位鍵。同時吸附H2，H原子被活化。在催化劑活性位點（如Fe-Fe鍵或Fe-O-Fe等）上，N-H鍵形成，生成NH3，同時Fe表面再生。意義：活性決定單位時間生成NH3的量；選擇性決定生成NH3的效率，以及副產(chǎn)物（如N2O）的生成量；穩(wěn)定性決定催化劑能持續(xù)工作多長時間，影響裝置運行時間和壽命。高活性、高選擇性、高穩(wěn)定性是工業(yè)上高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保運行的關(guān)鍵。七、化學(xué)表面處理方法：1.陽極氧化：金屬（如鋁、鈦）在含氧電解液中作為陽極，通電后在表面形成一層致密的氧化物薄膜。原理：陽極反應(yīng)使金屬失去電子，氧在金屬表面得到電子，生成金屬氧化物。該方法能顯著提高材料的耐磨性、耐腐蝕性和硬度。2.化學(xué)鍍（自催化）：在含有金屬鹽（如NiSO4）和還原劑（如次亞磷酸鹽）的溶液中，加入pH緩沖劑和添加劑，將被鍍工件作為陽極或同時加入少量催化劑，在金屬表面通過化學(xué)還原反應(yīng)沉積金屬鍍層（如化學(xué)鍍鎳）。原理：還原劑在金屬表面被氧化，提供電子，驅(qū)動金屬離子還原成金屬原子沉積下來。該方法無需外電源，可在復(fù)雜形狀工件上均勻鍍覆，改善耐腐蝕、耐磨、導(dǎo)電或裝飾性能。八、選擇太陽能光熱轉(zhuǎn)換用于海水淡化為例。關(guān)鍵反應(yīng)原理：利用太陽能集熱器（如parabolictroughcollector,PTC或solarpond）收集太陽輻射能，加熱傳熱工質(zhì)（如導(dǎo)熱油、水），然后將熱能傳遞給淡化裝置（如多效蒸餾器MED或閃蒸器MSF），使水蒸發(fā)，冷凝后得到淡水。涉及的熱力學(xué)過程主要是水的相變（蒸發(fā)吸熱、冷凝放熱），以及傳熱過程。挑戰(zhàn)與改進(jìn)：