2025年大學(xué)《化學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——化學(xué)催化劑的選擇和設(shè)計(jì)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。下列每小題只有一個(gè)選項(xiàng)符合題意。）1.下列關(guān)于催化劑的敘述，正確的是（）A.催化劑可以改變化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)B.催化劑能降低反應(yīng)的活化能C.催化劑不參與催化反應(yīng)的歷程D.催化劑可以改變反應(yīng)的熵變2.均相催化反應(yīng)與多相催化反應(yīng)相比，其主要區(qū)別在于（）A.反應(yīng)速率快慢B.催化劑的存在狀態(tài)C.催化劑的作用機(jī)理D.反應(yīng)溫度3.下列物質(zhì)中，可以作為酸堿催化劑的是（）A.分子篩B.濃硫酸C.氧化鋁D.鈀黑4.在多相催化反應(yīng)中，下列物質(zhì)通常作為助催化劑的是（）A.提高催化劑活性的物質(zhì)B.降低催化劑選擇性的物質(zhì)C.降低催化劑成本的物質(zhì)D.增強(qiáng)催化劑機(jī)械強(qiáng)度的物質(zhì)5.下列關(guān)于催化劑選擇性的敘述，錯(cuò)誤的是（）A.選擇性是指催化劑對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物生成量的影響B(tài).選擇性包括區(qū)域選擇性和化學(xué)選擇性C.選擇性是由催化劑的結(jié)構(gòu)和組成決定的D.選擇性與反應(yīng)溫度無(wú)關(guān)6.下列關(guān)于催化劑設(shè)計(jì)的方法，錯(cuò)誤的是（）A.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)B.組成設(shè)計(jì)C.載體設(shè)計(jì)D.溫度設(shè)計(jì)7.常用于制備負(fù)載型金屬催化劑的載體是（）A.氧化鋁B.二氧化硅C.活性炭D.以上都是8.在工業(yè)上，用于合成氨的催化劑是（）A.鉑-銠合金B(yǎng).鎳基催化劑C.鐵基催化劑D.鈦酸鋇9.下列關(guān)于光催化劑的敘述，錯(cuò)誤的是（）A.光催化劑可以在光照條件下催化化學(xué)反應(yīng)B.光催化劑可以用于水的分解C.光催化劑可以用于有機(jī)物的降解D.光催化劑必須在高溫條件下才能發(fā)揮作用10.下列關(guān)于生物催化劑的敘述，錯(cuò)誤的是（）A.生物催化劑是酶B.生物催化劑具有高選擇性和高效率C.生物催化劑對(duì)環(huán)境友好D.生物催化劑不能在有機(jī)溶劑中發(fā)揮作用二、填空題（每空1分，共20分。）1.催化劑的作用機(jī)理主要有______理論和______理論。2.催化劑的活性通常用______來(lái)衡量，選擇性通常用______來(lái)衡量。3.均相催化劑通常是指______催化劑，多相催化劑通常是指______催化劑。4.催化劑的制備方法主要有______法、______法和______法。5.催化劑的設(shè)計(jì)原則主要包括______、______、______和______。6.常見(jiàn)的金屬催化劑有______、______和______。7.常見(jiàn)的氧化物催化劑有______、______和______。8.催化劑可以用于______、______和______等領(lǐng)域。9.納米催化劑是指______的催化劑，具有______和______的特點(diǎn)。10.酶是一種______，是一種重要的______。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分。）1.簡(jiǎn)述表面吸附理論的主要內(nèi)容。2.簡(jiǎn)述催化劑失活的主要原因。3.簡(jiǎn)述綠色化學(xué)對(duì)催化劑設(shè)計(jì)提出的要求。4.簡(jiǎn)述負(fù)載型催化劑的特點(diǎn)。四、論述題（每小題10分，共20分。）1.論述催化劑在化工生產(chǎn)中的重要性。2.論述設(shè)計(jì)新型高效催化劑的意義和挑戰(zhàn)。五、計(jì)算題（每小題10分，共20分。）1.某催化反應(yīng)的活化能безкатализатора為150kJ/mol，有催化劑存在時(shí)活化能降低到50kJ/mol。計(jì)算該反應(yīng)在300K時(shí)，有無(wú)催化劑兩種情況下反應(yīng)的速率常數(shù)之比（假設(shè)指前因子相同）。2.在一個(gè)固定床反應(yīng)器中，使用某種催化劑進(jìn)行氣相反應(yīng)。反應(yīng)器體積為100L，催化劑裝填量為10kg，催化劑的比表面積為100m^2/g。反應(yīng)氣體在反應(yīng)器內(nèi)的空速為100h^-1（摩爾/小時(shí)/升）。假設(shè)催化劑的活性為0.1mol/(g·h)，計(jì)算該反應(yīng)的時(shí)空收率（摩爾/小時(shí)/升）。六、實(shí)驗(yàn)題（每小題10分，共20分。）1.簡(jiǎn)述制備負(fù)載型金屬催化劑的典型步驟。2.簡(jiǎn)述表征催化劑常用的物理方法有哪些，并說(shuō)明每種方法的原理和作用。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.B4.A5.D6.D7.D8.C9.D10.D二、填空題1.表面吸附；電子2.催化活性；選擇性指數(shù)3.同一相；不同相4.化學(xué)氣相沉積；溶膠-凝膠；浸漬5.活性；選擇性；穩(wěn)定性；經(jīng)濟(jì)性6.鎳；鈀；鉑7.氧化鐵；氧化銅；氧化鋅8.工業(yè)生產(chǎn)；環(huán)境保護(hù)；能源轉(zhuǎn)化9.納米級(jí)別；高活性；高選擇性10.生物催化劑；催化劑三、簡(jiǎn)答題1.表面吸附理論認(rèn)為，催化劑活性位點(diǎn)上的原子對(duì)反應(yīng)物分子有強(qiáng)烈的吸附作用，降低反應(yīng)物的活化能，從而加速反應(yīng)速率。該理論主要包括蘭格繆爾吸附模型和Haber-Brede模型。2.催化劑失活的主要原因包括活性組分流失、積碳覆蓋、燒結(jié)、中毒等?；钚越M分流失是指活性組分從催化劑表面脫落或進(jìn)入載體內(nèi)部；積碳覆蓋是指反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的碳沉積在催化劑表面，覆蓋活性位點(diǎn)；燒結(jié)是指催化劑在高溫下顆粒合并，比表面積減小；中毒是指催化劑表面吸附了某些雜質(zhì)，降低了活性。3.綠色化學(xué)對(duì)催化劑設(shè)計(jì)提出的要求包括高活性、高選擇性、高穩(wěn)定性、可重復(fù)使用、環(huán)境友好等。高活性可以縮短反應(yīng)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率；高選擇性可以減少副產(chǎn)物生成，提高產(chǎn)品質(zhì)量；高穩(wěn)定性可以延長(zhǎng)催化劑壽命，降低生產(chǎn)成本；可重復(fù)使用可以減少催化劑用量，降低環(huán)境污染；環(huán)境友好可以減少催化劑制備和使用過(guò)程中的污染。4.負(fù)載型催化劑是指將活性組分負(fù)載在載體上的催化劑，具有活性高、選擇性好、穩(wěn)定性好、易分離回收等優(yōu)點(diǎn)。其特點(diǎn)包括活性組分與載體之間的相互作用可以進(jìn)一步提高催化劑的活性；載體可以提供較大的比表面積，增加活性位點(diǎn)的數(shù)量；載體可以增強(qiáng)催化劑的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性；載體可以方便催化劑的分離和回收。四、論述題1.催化劑在化工生產(chǎn)中具有重要地位，它可以顯著提高反應(yīng)速率，降低反應(yīng)溫度，提高產(chǎn)率，降低能耗，減少污染，促進(jìn)化工生產(chǎn)過(guò)程的綠色化、高效化和智能化。例如，合成氨工業(yè)中使用的鐵基催化劑，使得合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)成為可能；石油化工中使用的裂化催化劑，使得可以從低硫原油中生產(chǎn)出高價(jià)值的汽油、柴油等產(chǎn)品；環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域使用的汽車(chē)尾氣凈化催化劑，可以有效去除汽車(chē)尾氣中的有害物質(zhì)，改善環(huán)境質(zhì)量。2.設(shè)計(jì)新型高效催化劑的意義在于可以提高化工生產(chǎn)效率，降低能耗和污染，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)。隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)化工產(chǎn)品的需求日益增長(zhǎng)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)境保護(hù)的要求也越來(lái)越高。因此，設(shè)計(jì)新型高效催化劑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而，設(shè)計(jì)新型高效催化劑也面臨著許多挑戰(zhàn)，例如對(duì)催化劑的構(gòu)效關(guān)系認(rèn)識(shí)不足，缺乏有效的催化劑設(shè)計(jì)理論和方法，催化劑的制備和表征技術(shù)有待提高等。為了克服這些挑戰(zhàn)，需要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，深入研究催化劑的作用機(jī)理，發(fā)展新的催化劑設(shè)計(jì)理論和方法，提高催化劑的制備和表征技術(shù)。五、計(jì)算題1.根據(jù)阿倫尼烏斯方程k=A*exp(-Ea/RT)，反應(yīng)速率常數(shù)與活化能成指數(shù)關(guān)系。設(shè)有無(wú)催化劑時(shí)反應(yīng)速率常數(shù)分別為k1和k2，活化能分別為Ea1和Ea2，則有k1/k2=exp(-(Ea1-Ea2)/RT)。將數(shù)值代入，得到k1/k2=exp(-(150000-50000)/(8.314*300))=exp(-40000/2494.2)≈1.28*10^(-8)。因此，有無(wú)催化劑兩種情況下反應(yīng)的速率常數(shù)之比約為1.28*10^(-8)。2.時(shí)空收率（TSY）是指單位時(shí)間、單位催化劑體積（或重量）所能得到的產(chǎn)物摩爾數(shù)。根據(jù)題目給出的信息，催化劑裝填量為10kg，催化劑的比表面積為100m^2/g，反應(yīng)器體積為100L，反應(yīng)氣體在反應(yīng)器內(nèi)的空速為100h^-1，催化劑的活性為0.1mol/(g·h)。首先計(jì)算催化劑的表面積：10kg*100m^2/g=1000m^2。然后將空速轉(zhuǎn)換為摩爾/小時(shí)：100h^-1*1L/1000L*1mol/22.4L(標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體摩爾體積)≈0.00446mol/h。時(shí)空收率TSY=(空速*反應(yīng)器體積)/(催化劑裝填量*催化劑活性)=(0.00446mol/h*100L)/(10kg*0.1mol/(g·h)*1000g/kg)=0.00446mol/h。因此，該反應(yīng)的時(shí)空收率約為0.00446mol/h。六、實(shí)驗(yàn)題1.制備負(fù)載型金屬催化劑的典型步驟包括：1）制備載體：根據(jù)需要選擇合適的載體材料，如氧化鋁、二氧化硅等，并進(jìn)行預(yù)處理，如calcination（焙燒）等；2）活性組分制備：將活性組分前驅(qū)體溶解在溶液中，形成均勻的溶液；3）浸漬：將載體浸漬在活性組分前驅(qū)體溶液中，使活性組分前驅(qū)體吸附在載體表面；4）干燥：將浸漬后的催化劑在適當(dāng)溫度下干燥，去除溶劑；5）焙燒：將干燥后的催化劑在高溫下焙燒，使活性組分前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為活性組分。2.表征催化劑常用的物理方法主要有：1）比表面積及孔徑分析：BET（N2吸附）法，用于測(cè)定催化劑的比表面積、孔容和孔徑分布。原理是利用N2在低溫下于催化劑表面物理吸附，根據(jù)吸附等溫線(xiàn)計(jì)算比表面積和孔徑；2）X射線(xiàn)衍射（XRD）：用于測(cè)定催化劑的晶體結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸和物相組成。原理是利用X射線(xiàn)與催化劑晶體相互作用產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象，分析晶體結(jié)構(gòu)信息；3）掃描電子顯微鏡（SEM）：用于觀(guān)察催化劑的形貌、粒徑和分布。原理是利用聚焦的電子束掃描催化劑表面，收集二次電子或背散射電子，形成圖像；4）透射電子顯微鏡（TEM）