2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子科學與工程在工業(yè)生產中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項前的字母填在題后的括號內，每小題2分，共20分）1.在工業(yè)合成氨過程中，鐵基催化劑的活性位點通常涉及（）。A.Fe原子表面的孤立電子對B.Fe原子與CO分子形成的配位鍵C.Fe?O?晶粒的尺寸大小D.催化劑表面氧空位的數(shù)量2.下列哪種分離膜技術主要利用了溶解-擴散機制來分離氣體混合物？（）A.反滲透膜B.濃差極化膜C.中空纖維膜D.陽離子交換膜3.高分子材料的熱塑性主要源于其分子鏈段在特定溫度范圍內具有（）。A.強大的分子間作用力B.良好的化學穩(wěn)定性C.可逆的物理運動能力D.高度的結晶度4.在設計用于生物醫(yī)學領域的聚合物材料時，首要考慮的因素通常不包括（）。A.材料的機械強度B.材料的生物相容性C.材料的降解速率D.材料的導電性能5.下列工業(yè)過程中，不屬于分子模擬技術直接應用范疇的是（）。A.預測化學反應的活化能B.優(yōu)化催化劑的孔道結構C.模擬高分子材料的力學性能D.設計新型分離膜的材料分子結構6.利用電滲析技術進行海水淡化時，核心原理是利用離子交換膜的選擇透過性，同時外加直流電場驅動（）。A.水分子定向遷移B.陽離子通過陰離子膜C.陰離子通過陽離子膜D.鹽離子和水分子共同遷移7.在工業(yè)生產中，利用酶作為催化劑進行特定反應，其顯著優(yōu)勢通常不包括（）。A.反應條件溫和（常溫常壓）B.高度專一性強C.高效性（催化速率快）D.成本低廉，易于分離回收8.制備納米材料以用于工業(yè)催化劑時，其粒徑大小對催化性能的影響主要體現(xiàn)在對（）的影響。A.表觀摩爾質量B.比表面積C.介電常數(shù)D.熔點9.下列關于綠色化學在分子科學與工程工業(yè)應用中原則的描述，錯誤的是（）。A.最大程度地利用所有資源，減少廢棄物產生B.選用對人類健康和環(huán)境危害小的化學合成方法C.強調提高原子經濟性，即目標產物中包含的原子比例越高越好D.優(yōu)先選用無毒、無害的溶劑和助劑10.分子印跡技術用于制備選擇性吸附材料時，其核心在于預先構建具有特定識別位點的（）。A.多孔骨架結構B.分子識別位點（印跡孔道）C.高表面能材料D.導電網(wǎng)絡結構二、填空題（請將答案填寫在橫線上，每空2分，共20分）1.工業(yè)上常用的多相催化反應，其反應物和產物通常存在于______相，而催化劑則存在于______相。2.膜分離技術的性能關鍵參數(shù)之一是______，它表示膜的滲透能力。3.對于線性高分子，其分子量分布寬度（MWD）是衡量不同分子量聚合物相對含量差異的指標，MWD值越接近______，表示分子量分布越窄。4.在利用計算模擬方法預測分子性質時，選擇合適的______模型對于結果的準確性至關重要。5.分子束外延（MBE）是一種在超高真空條件下，通過精確控制______的沉積來生長單晶薄膜的技術，常用于半導體工業(yè)。6.生物傳感器通常由兩部分組成：敏感元件（識別目標分子）和轉換元件（將識別信號轉換為______信號）。7.在設計用于氣體分離的聚合物膜時，除了膜材料的選擇外，膜的______結構（如孔徑大小、分布、形態(tài)）也對其分離性能有決定性影響。8.原子經濟性是評價化學反應綠色程度的重要指標，它定義為______占反應物總量的百分比。9.納米材料的特殊性能，如光學、電學、磁學和力學性質，與其______密切相關。10.利用分子印跡技術制備的仿生吸附材料，其識別位點具有高度的______，能夠特異性地結合目標分子。三、簡答題（請簡要回答下列問題，每題5分，共20分）1.簡述影響工業(yè)催化劑選擇性和活性的主要因素。2.比較反滲透膜和氣體分離膜在基本工作原理和分離機制上的主要區(qū)別。3.闡述高分子材料在生物醫(yī)學領域應用時，需要滿足的主要性能要求。4.簡述計算分子模擬在工業(yè)研發(fā)中至少三個方面的具體應用價值。四、論述題（請結合具體實例，深入闡述下列問題，每題10分，共30分）1.選擇一種你熟悉的工業(yè)分離過程（如精餾、萃取、膜分離等），詳細分析其中涉及的關鍵分子科學與工程原理，并討論如何通過分子設計或技術改進來提高其分離效率或選擇性。2.以工業(yè)催化或材料合成為例，論述綠色化學原則在其中的具體體現(xiàn)，并分析實施這些原則可能面臨的挑戰(zhàn)與解決方案。3.隨著工業(yè)發(fā)展對可持續(xù)性的要求日益提高，分子科學與工程領域正在如何應對挑戰(zhàn)并抓住機遇？請結合至少兩個具體的技術或應用方向進行論述。---試卷答案一、選擇題1.B解析：工業(yè)合成氨的鐵基催化劑（如Fe-Cr-Al系）活性位點主要是鐵表面與吸附的CO或H?分子形成的配位鍵，這些配位鍵能幫助活化N?分子并促進氮氫化合。2.B解析：氣體分離膜主要通過溶解-擴散機制工作：氣體分子溶解于膜材料中，隨后在濃度梯度驅動下擴散通過膜。其他選項機制不同：反滲透是壓力驅動下的溶劑（水）選擇性通過；中空纖維膜是結構支撐；陽離子交換膜是離子選擇性交換。3.C解析：高分子材料的熱塑性源于其分子鏈段在較高溫度下具有足夠的能量進行運動（如鏈段運動），使得材料可以反復加熱軟化冷卻成型。這是其物理性質，而非化學鍵強度或結晶度。4.D解析：生物醫(yī)學材料的首要考慮因素是生物相容性（無毒、無排異反應）、生物降解性（如需）、力學性能和特定功能（如生物活性、屏障作用）。導電性能通常不是首要需求，除非應用于特定電刺激或導電應用。5.D解析：分子模擬可直接預測反應活化能、優(yōu)化催化劑結構、模擬材料性能。設計新型膜材料結構是其重要應用之一。設計材料分子結構本身屬于實驗化學或藥物設計的范疇，雖然可受模擬指導，但模擬的直接應用是分析和預測。6.A解析：電滲析利用離子交換膜的選擇透過性和直流電場，驅動水分子（以及水中溶解的鹽離子）定向遷移，實現(xiàn)脫鹽或物質濃縮。主要驅動力是水分子自身的遷移，而非離子。7.D解析：酶催化劑的優(yōu)點是條件溫和、專一性強、高效。缺點通常包括穩(wěn)定性差（易失活）、成本高、反應條件較苛刻、產物分離困難。成本和分離回收難是其顯著缺點，而非優(yōu)勢。8.B解析：納米材料的尺寸進入納米尺度后，其表面原子占比急劇增加，導致比表面積大幅增大。巨大的比表面積是納米材料許多特殊物理化學性質（如催化活性、吸附性能）的主要原因。9.C解析：原子經濟性是目標產物中原子占反應物總原子的百分比。提高原子經濟性確實重要，但“原子比例越高越好”的表述不完全準確，需考慮副產物和選擇性。更準確的說法是最大化目標產物的收率，同時最小化副產物。10.B解析：分子印跡技術通過使用模板分子、功能單體和交聯(lián)劑，在聚合物網(wǎng)絡中預先構筑出與模板分子形狀、大小、孔道結構互補的識別位點（印跡孔道），使其對模板分子或結構類似物具有選擇性識別能力。二、填空題1.液體，固體解析：工業(yè)多相催化通常在液體（反應物、溶劑）和固體（催化劑）之間進行。2.截留分子量（或分子尺寸）解析：截留分子量是衡量膜對特定尺寸分子（通常是聚合物）截留能力的參數(shù)，直接反映了膜的滲透選擇性。3.1解析：MWD值定義為重均分子量與數(shù)均分子量之比。當MWD=1時，表示所有聚合物分子量相同，即分布最窄。4.力場解析：分子模擬中常用的力場模型，通過定義原子間相互作用勢能函數(shù)來模擬分子系統(tǒng)的力學行為。5.分子束解析：MBE技術通過將源物質蒸發(fā)形成高能分子束流，在基片表面沉積生長薄膜。6.電解析：生物傳感器將生物識別事件（如酶與底物結合、抗體與抗原結合）產生的信號轉換為可測量和處理的電信號（如電位、電流、電阻）。7.孔解析：氣體分離膜的性能取決于膜材料的性質和膜的孔結構特征，包括孔徑大小、分布、形態(tài)和孔道連接方式等。8.目標產物分子中原子解析：原子經濟性=(目標產物分子中原子/反應物總原子)*100%。它衡量反應物原子轉化為有用產物的效率。9.尺寸效應解析：納米材料的性質（光學、電學、磁學、力學等）與其尺寸進入納米尺度后，量子尺寸效應和表面效應等變得顯著，導致其性能與宏觀材料不同。10.特異性（或認別性）解析：分子印跡的核心是制備出具有高度特異性的識別位點，這些位點能與目標分子（印跡分子）在結構和非共價相互作用上精確匹配，從而表現(xiàn)出對模板分子或其類似物的選擇性結合能力。三、簡答題1.工業(yè)催化劑的選擇性主要指催化劑對目標反應的偏好程度，即主要生成期望產物，副反應較少。影響選擇性的因素包括：活性位點化學性質（如酸堿性、氧化還原性）、反應路徑（催化劑可能誘導不同的反應路徑）、反應物/產物與活性位點的相互作用強度等。工業(yè)催化劑的活性通常指單位催化劑在單位時間內產生產物的量。影響活性的因素包括：活性位點數(shù)量和分散度、活性位點的結構（如孔道大小、電子結構）、反應溫度、壓力、反應物濃度、載體性質以及是否存在毒化物或促進劑等。2.反滲透膜工作原理是利用半透膜的選擇透過性，在高壓下使溶劑（通常是水）通過膜，而溶解的溶質（鹽分等）被截留。其分離機制是基于溶液滲透壓的壓差驅動。氣體分離膜則通常利用氣體分子溶解-擴散機制：氣體分子溶解于膜材料中，然后在濃度梯度驅動下擴散通過膜而被分離。其分離機制依賴于不同氣體分子在膜中的溶解度和擴散速率差異，這受膜材料性質和氣體分子本性的影響。3.高分子材料在生物醫(yī)學領域應用時，需要滿足：①生物相容性：無毒、不引起免疫排斥或組織反應；②生物惰性（或生物活性）：根據(jù)應用需要，要么不與生物體發(fā)生作用（惰性，如血管移植物），要么具有特定生物功能（活性，如藥物載體、組織工程支架）；③合適的力學性能：滿足植入或使用環(huán)境的強度、韌性、彈性等要求；④良好的生物降解性（如需）：在完成其功能后，能被身體逐漸降解吸收，無毒性殘留物；⑤穩(wěn)定性和耐久性：在體內環(huán)境（如pH、溫度、酶）下保持結構和性能穩(wěn)定；⑥易于加工成型：能夠制成所需形狀和尺寸的醫(yī)療器械。4.計算分子模擬在工業(yè)研發(fā)中的應用價值包括：①分子設計與篩選：預測和比較不同分子的性質（如活性、穩(wěn)定性、溶解度），加速新分子、催化劑或材料的發(fā)現(xiàn)過程；②反應機理研究：揭示化學反應的詳細步驟、中間體結構和能量變化，為優(yōu)化反應條件提供理論依據(jù)；③材料性能預測：模擬預測材料的熱力學、動力學、力學、光學、電學等性質，指導材料選擇和性能優(yōu)化；④模擬實驗難以進行的過程：如模擬極端條件下的反應或材料行為，或研究微觀尺度上的過程細節(jié)。四、論述題1.以工業(yè)膜分離過程中的氣體分離為例。其核心分子科學與工程原理涉及氣體分子與膜材料的相互作用（溶解-擴散機制）、氣體分子在膜相中的傳輸現(xiàn)象（費克定律）、膜材料的結構與氣體滲透選擇性的關系（如自由體積理論、溶解度-擴散理論）。通過分子設計，可以調控膜材料的化學組成、聚合物鏈結構、孔徑分布和形態(tài)，從而改變膜對特定氣體分子的溶解度和擴散速率差異。例如，設計高自由體積、特定孔徑和化學環(huán)境的膜材料，可以增強對目標氣體（如CO?）的溶解度，同時抑制其他氣體（如CH?）的擴散，提高分離選擇性。技術改進方面，可以開發(fā)新型膜材料（如共聚物、納米復合膜），優(yōu)化膜組件結構（如增加膜面積、改善流道設計），或結合其他分離技術（如壓力SwingAdsorption，PSA）形成混合過程，進一步提高分離效率和經濟性。2.綠色化學原則在工業(yè)催化和材料合成中的應用體現(xiàn)了對環(huán)境可持續(xù)性和人類健康的關注。在工業(yè)催化中，綠色化學原則要求設計環(huán)境友好的催化體系：選用高選擇性的催化劑以減少副產物（減少廢物）；開發(fā)可再生或可降解的催化劑；在溫和條件下（低溫、低壓、水相介質）進行催化反應以減少能耗和危險性；使用無毒、無害的助劑和溶劑。例如，開發(fā)酶催化替代傳統(tǒng)化學催化，利用固載化催化劑實現(xiàn)反應物與產物的易于分離，設計負載型金屬催化劑以降低貴金屬使用量并提高壽命。在材料合成中，綠色化學原則要求：原子經濟性高的合成路線，最大限度利用原料原子；使用可再生原料；合成過程低能耗、低廢水產生；選用環(huán)境友好的溶劑（如水、超臨界流體）；設計易于降解或回收的聚合物材料。例如，發(fā)展聚合反應中的催化加成方法替代多步偶聯(lián)反應，使用離子液體作為綠色溶劑，開發(fā)可生物降解的聚酯類材料。挑戰(zhàn)包括：高效綠色催化劑/合成方法的開發(fā)難度大、成本高；現(xiàn)有工業(yè)流程改造投資大；綠色溶劑/原料的規(guī)?；獑栴}。解決方案需要持續(xù)研發(fā)投入、政策引導與經濟激勵、以及跨學科合作。3.隨著工業(yè)發(fā)展對可持續(xù)性的要求提高，分子科學與工程領域正通過技術創(chuàng)新應對挑戰(zhàn)并抓住機遇。應對挑戰(zhàn)體現(xiàn)在：①開發(fā)更高效、選擇性的催化劑，減少能源消耗和廢物產生，支持清潔生產；②設計環(huán)境友好的化學過程和材料，減少有毒有害物質的使用和排放，滿足環(huán)保法規(guī)要求；③發(fā)展資源循環(huán)利用技術，如化學回收、催化轉化，提高資源利