2025年大學(xué)《化學(xué)》專業(yè)題庫——化學(xué)反應(yīng)平衡研究新進(jìn)展考試時間：______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.對于氣相反應(yīng)2A(g)?B(g)，在恒溫恒容條件下，向體系中充入惰性氣體，平衡常數(shù)K和平衡轉(zhuǎn)化率α的變化趨勢分別是：A.K增大，α增大B.K不變，α不變C.K減小，α減小D.K不變，α增大2.已知反應(yīng)A?B的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變ΔG°(A→B)隨溫度T的變化曲線大致呈線性關(guān)系，且斜率大于零。下列判斷正確的是：A.該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，且正反應(yīng)的活化能小于逆反應(yīng)的活化能B.該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，且正反應(yīng)的活化能大于逆反應(yīng)的活化能C.該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，且正反應(yīng)的活化能大于逆反應(yīng)的活化能D.該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，且正反應(yīng)的活化能小于逆反應(yīng)的活化能3.在一定溫度下，反應(yīng)2SO?(g)+O?(g)?2SO?(g)ΔH<0達(dá)到平衡。為提高SO?的產(chǎn)率，下列措施中最有效的是：A.降低體系總壓B.升高體系溫度C.使用催化劑D.補(bǔ)充O?，并保持總壓不變4.下列關(guān)于密度泛函理論（DFT）在研究化學(xué)平衡中的應(yīng)用描述錯誤的是：A.DFT可以用于計算反應(yīng)物、產(chǎn)物和過渡態(tài)的相對能量B.DFT能夠直接確定反應(yīng)的熵變C.DFT是研究復(fù)雜體系表面平衡結(jié)構(gòu)的有力工具D.DFT計算結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度上取決于所選擇的泛函5.原位紅外光譜技術(shù)用于研究化學(xué)反應(yīng)平衡，其主要優(yōu)勢在于：A.可以獲得元素級別的定量分析結(jié)果B.能夠在反應(yīng)物加入前后瞬間捕捉產(chǎn)物或中間體的特征吸收峰C.可用于研究固-液界面上的平衡過程D.適用于研究高溫高壓條件下的平衡體系6.分子動力學(xué)（MD）模擬在研究溶液相化學(xué)反應(yīng)平衡時，主要關(guān)注的是：A.反應(yīng)物與催化劑活性位點(diǎn)的結(jié)合能B.體系中所有分子的空間分布和運(yùn)動軌跡C.特定反應(yīng)物分子的反應(yīng)路徑和能壘D.平衡常數(shù)和反應(yīng)速率常數(shù)的絕對值7.下列哪項技術(shù)最常用于直接觀察催化劑表面原子在化學(xué)平衡狀態(tài)下的排列結(jié)構(gòu)？A.X射線光電子能譜（XPS）B.原子力顯微鏡（AFM）C.原位X射線衍射（In-situXRD）D.拉曼光譜8.在研究多相催化反應(yīng)的化學(xué)平衡時，將宏觀動力學(xué)模型與微觀理論計算（如DFT）相結(jié)合的多尺度方法，其主要目的是：A.僅用于預(yù)測宏觀反應(yīng)速率B.僅用于確定催化劑的最佳活性組分C.能夠同時解釋宏觀反應(yīng)行為和微觀表面過程D.適用于所有類型的化學(xué)平衡體系，無需額外假設(shè)9.機(jī)器學(xué)習(xí)模型被應(yīng)用于預(yù)測化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)，其訓(xùn)練數(shù)據(jù)通常需要包含：A.反應(yīng)物的分子式和元素組成B.反應(yīng)物和產(chǎn)物的實(shí)驗測得的平衡常數(shù)C.反應(yīng)過程中的能量變化曲線D.催化劑的物理性質(zhì)參數(shù)10.將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并建立化學(xué)平衡的過程，最典型的例子是：A.酶催化下的生物催化反應(yīng)B.電解水制氫C.綠色植物的光合作用D.高溫下碳的氣化反應(yīng)二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題中的橫線上）1.根據(jù)勒夏特列原理，當(dāng)改變影響化學(xué)平衡的一個條件（如濃度、壓力、溫度）時，化學(xué)平衡將向著能夠___________這個改變的方向移動，直至建立新的___________。2.標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)K僅與___________有關(guān)，而與平衡濃度或分壓無關(guān)。對于反應(yīng)aA+bB?gG+hH，其平衡常數(shù)的表達(dá)式為K=_________。3.熱力學(xué)函數(shù)ΔG、ΔH、ΔS在判斷反應(yīng)自發(fā)性方面存在關(guān)聯(lián)，當(dāng)ΔG___________，反應(yīng)在任何條件下都能自發(fā)進(jìn)行；當(dāng)ΔG___________，反應(yīng)在任何條件下都不能自發(fā)進(jìn)行。4.密度泛函理論（DFT）是計算化學(xué)中的一種重要方法，其核心思想是通過對電子密度進(jìn)行描述，進(jìn)而得到體系的總能量，常用的交換關(guān)聯(lián)泛函包括LDA、GGA以及更高級的_________和_________等。5.原位表征技術(shù)，如原位X射線衍射（XRD）和原位紅外光譜（IR），能夠在反應(yīng)進(jìn)行___________的情況下，實(shí)時監(jiān)測體系結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的動態(tài)變化，對于研究化學(xué)平衡的動態(tài)過程至關(guān)重要。三、計算題（共30分）1.(10分)已知在800K時，反應(yīng)2SO?(g)+O?(g)?2SO?(g)的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)K=1.82x103。計算在該溫度下，當(dāng)SO?、O?和SO?的分壓分別為0.100atm、0.200atm和0.500atm時，該反應(yīng)的摩爾吉布斯自由能變ΔG和平衡判據(jù)，并判斷反應(yīng)是否處于平衡狀態(tài)？若不處于平衡狀態(tài)，應(yīng)向哪個方向進(jìn)行？2.(10分)對于反應(yīng)C(s)+H?O(g)?CO(g)+H?(g)，已知ΔH°=131kJ/mol，ΔS°=118J/(mol·K)。計算該反應(yīng)在1000K時的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)K。假設(shè)反應(yīng)的ΔH°和ΔS°不隨溫度變化。3.(10分)某研究者利用DFT計算[Fe(H?O)?]2?水解反應(yīng)Fe(H?O)?2?+H?O?[Fe(H?O)?(OH)]?+H?O?的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)，得到反應(yīng)物、過渡態(tài)和產(chǎn)物的能量分別為E_r=-836.5kJ/mol，E_ts=-831.2kJ/mol，E_p=-840.1kJ/mol。計算該反應(yīng)在298K時的標(biāo)準(zhǔn)摩爾吉布斯自由能變ΔG°和標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)K。（提示：E_r,E_ts,E_p已扣除電子能量和ZPE，單位為kJ/mol）四、簡答題（每題10分，共20分）1.簡述光譜表征技術(shù)（如紅外光譜、拉曼光譜）在研究化學(xué)平衡體系中識別物種和追蹤動態(tài)過程的原理和優(yōu)勢。2.比較分子動力學(xué)（MD）模擬與密度泛函理論（DFT）計算在研究化學(xué)平衡時的主要區(qū)別、適用范圍和局限性。五、論述題（20分）結(jié)合化學(xué)反應(yīng)平衡的熱力學(xué)原理和至少兩種化學(xué)平衡研究的新興方法（可任選計算化學(xué)、光譜表征、多尺度模擬等），論述如何更深入地理解并優(yōu)化一個典型的工業(yè)化學(xué)平衡過程（例如合成氨或二氧化硫催化氧化制硫酸過程），并探討這些新方法在實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)和可持續(xù)化工生產(chǎn)中的潛力。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.D4.B5.B6.B7.C8.C9.B10.C二、填空題1.減弱；平衡2.溫度；(pG)^g/(pA)^a*(pB)^b3.<0；>04.HSE；meta-HSE5.進(jìn)行中三、計算題1.解：*計算摩爾吉布斯自由能變ΔG=ΔG°+RTlnQ_p*反應(yīng)商Q_p=(pSO?)^2/(pSO?)^2*pO?=(0.500)^2/(0.100)^2*0.200=5.00*ΔG°=-RTlnK=-(8.314J/(mol·K))*800K*ln(1.82x103)≈-49.1kJ/mol*ΔG=-49.1kJ/mol+(8.314J/(mol·K))*800K*ln(5.00)≈-49.1kJ/mol+8.314*800*1.609≈-49.1kJ/mol+10.7kJ/mol=-38.4kJ/mol*平衡判據(jù)：ΔG<0，反應(yīng)正向進(jìn)行。*結(jié)論：ΔG=-38.4kJ/mol<0，反應(yīng)不處于平衡狀態(tài)，應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行以建立平衡。2.解：*ΔG°=ΔH°-TΔS°*ΔG°=131kJ/mol-(1000K)*(118J/(mol·K))*(1kJ/1000J)=131kJ/mol-0.118kJ/mol=130.882kJ/mol*ΔG°=-RTlnK*130.882kJ/mol=-(8.314x10?3kJ/(mol·K))*1000K*lnK*lnK=-130.882/(8.314x10?3*1000)=-15.749*K=e^(-15.749)≈1.42x10??3.解：*標(biāo)準(zhǔn)摩爾吉布斯自由能變ΔG°=E_r-E_ts=(-836.5+831.2)kJ/mol=-5.3kJ/mol*ΔG°=-RTlnK*-5.3kJ/mol=-(8.314x10?3kJ/(mol·K))*298K*lnK*lnK=5.3/(8.314x10?3*298)=2.165*K=e^2.165≈8.72四、簡答題1.解析思路：光譜技術(shù)的原理是基于分子對特定波長的電磁波的吸收或散射，不同化學(xué)物種具有獨(dú)特的振動和轉(zhuǎn)動能級，對應(yīng)特定的光譜吸收峰。通過測量反應(yīng)體系在反應(yīng)過程中光譜吸收峰的位置、強(qiáng)度、寬度或化學(xué)位移的變化，可以識別體系中存在的物種（如反應(yīng)物、產(chǎn)物、中間體），并監(jiān)測其濃度隨時間的變化，從而追蹤反應(yīng)的動態(tài)過程。優(yōu)勢在于可提供分子結(jié)構(gòu)信息、靈敏度高、可實(shí)現(xiàn)原位或?qū)崟r監(jiān)測、對體系擾動小。2.解析思路：比較MD和DFT：MD基于牛頓運(yùn)動定律模擬原子/分子的運(yùn)動，可研究較大體系（納米尺度）和較長時間程，提供體系動力學(xué)信息，但精度相對較低，依賴于力場參數(shù)。DFT基于量子力學(xué)原理計算電子結(jié)構(gòu)，可直接得到能量、結(jié)構(gòu)、譜學(xué)等物性，精度高，尤其適用于小體系或表面，但計算量大，對泛函選擇敏感，主要用于靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析和能量計算。適用范圍上，MD更偏重動力學(xué)和宏觀性質(zhì)模擬，DFT更偏重靜態(tài)結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)計算。局限性上，MD受限于力場和系綜選擇，DFT受限于泛函準(zhǔn)確性和計算成本。五、論述題解析思路：論述題需結(jié)合熱力學(xué)原理（ΔG、K、勒夏特列原理）和至少兩種前沿方法（如DFT、MD、原位表征等）展開。首先闡述熱力學(xué)如何指導(dǎo)平衡優(yōu)化（如改變溫度、壓力、濃度以改變ΔG或K）。然后選擇兩種方法進(jìn)行具體闡述：*方法一：例如DFT，可用于計算不同反應(yīng)路徑的能壘，識別最可幾路徑，計算不同催化劑或反應(yīng)物/產(chǎn)物結(jié)