2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——材料表面化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項字母填在題干后的括號內(nèi)）1.下列哪個模型主要用于描述吸附分子在固體表面上的相互作用和排列？（）A.Eley-Rideal模型B.Langmuir吸附等溫式C.擴(kuò)散控制模型D.Temkin吸附模型2.表面反應(yīng)速率理論中，當(dāng)表面覆蓋度θ趨近于1時，Langmuir-Hinshelwood速率方程通常簡化為？（）A.k?θB.k?P/(1+K?P)C.k?k?θ2D.k?k?/(1+K?P)3.對于一個典型的表面反應(yīng)，若反應(yīng)步驟i：A+*→*A(吸附)的活化能遠(yuǎn)高于表面反應(yīng)步驟ii：*A+*B→*AB+*(表面反應(yīng))的活化能，則該表面反應(yīng)的速率控制步驟最可能是？（）A.步驟iB.步驟iiC.擴(kuò)散步驟D.不能確定4.提高反應(yīng)體系溫度，對于表面反應(yīng)速率的影響通常是？（）A.總是減小反應(yīng)速率B.對活化能較低的步驟影響更顯著C.對表面擴(kuò)散步驟影響更顯著D.不影響反應(yīng)速率5.在表面反應(yīng)動力學(xué)實驗中，測量表面覆蓋度常用的方法之一是？（）A.熱重分析(TGA)B.紫外-可見光譜(UV-Vis)吸收光譜C.傅里葉變換紅外光譜(FTIR)D.原子力顯微鏡(AFM)6.當(dāng)表面反應(yīng)的速率控制步驟為表面反應(yīng)本身時，反應(yīng)速率通常與表面覆蓋度有關(guān)，若吸附分子間存在排斥作用，則速率方程可能呈現(xiàn)何種形式？（）A.反比于表面覆蓋度B.正比于表面覆蓋度的平方C.正比于表面覆蓋度D.與表面覆蓋度無關(guān)7.Eley-Rideal模型描述的是哪種類型的表面反應(yīng)？（）A.兩個吸附在表面的分子直接反應(yīng)B.一個吸附在表面的分子與氣相分子反應(yīng)C.表面空位上的分子與吸附分子反應(yīng)D.氣相分子之間的反應(yīng)發(fā)生在固體表面8.在Langmuir吸附等溫式中，常數(shù)K?表示？（）A.吸附分子的脫附速率常數(shù)B.吸附分子的吸附速率常數(shù)C.平衡常數(shù)，與吸附熱有關(guān)D.氣相分子的分壓9.對于一個吸附控制或表面反應(yīng)控制的步驟，增加反應(yīng)物在表面的吸附強(qiáng)度（如改變覆蓋力），通常對反應(yīng)速率的影響是？（）A.總是減小反應(yīng)速率B.總是增加反應(yīng)速率C.對活化能的影響更顯著D.不影響反應(yīng)速率10.表面反應(yīng)動力學(xué)研究對于理解催化反應(yīng)機(jī)理有何重要意義？（）A.可以直接確定催化劑的最終產(chǎn)品B.可以幫助確定表面反應(yīng)的速率控制步驟C.可以精確測量反應(yīng)的焓變D.可以完全避免副反應(yīng)的發(fā)生二、填空題（每空1分，共10分。請將答案填在橫線上）1.描述吸附分子在表面均勻單分子層吸附時，吸附量與氣體分壓之間關(guān)系的經(jīng)驗公式是________。2.表面反應(yīng)動力學(xué)研究中，通常用________來表示表面上的吸附物種濃度或覆蓋度。3.當(dāng)表面反應(yīng)的速率控制步驟為表面擴(kuò)散時，增加體系溫度通常會________反應(yīng)速率。4.Langmuir-Hinshelwood模型假設(shè)表面反應(yīng)發(fā)生在________個吸附物種之間。5.表面反應(yīng)的活化能是決定反應(yīng)速率的關(guān)鍵因素，它可以通過________（方法名）或________（方法名）等方法進(jìn)行估算。6.影響表面反應(yīng)速率的因素除了溫度、壓力和表面覆蓋度外，還可能包括________、表面活性劑等。7.表面反應(yīng)動力學(xué)實驗數(shù)據(jù)的擬合，可以用來判斷表面反應(yīng)的________。8.指出一種常見的非吸附控制或非擴(kuò)散控制的表面反應(yīng)速率控制步驟：________。9.假設(shè)表面反應(yīng)的活化能Ea=40kJ/mol，根據(jù)阿倫尼烏斯方程，當(dāng)溫度從300K升高到310K時，若指前因子A不變，反應(yīng)速率常數(shù)k將________（增大/減小/不變）。10.材料表面的化學(xué)狀態(tài)，如表面官能團(tuán)、缺陷等，會通過影響________來調(diào)控表面反應(yīng)動力學(xué)。三、簡答題（每題10分，共30分）1.簡述Langmuir吸附等溫式的基本原理及其適用的條件。2.試比較Langmuir-Hinshelwood模型和Eley-Rideal模型在描述表面反應(yīng)方面的主要區(qū)別。3.溫度對表面反應(yīng)速率的影響通常通過活化能和指前因子體現(xiàn)。請解釋阿倫尼烏斯方程的物理意義，并說明如何通過實驗數(shù)據(jù)確定表面反應(yīng)的活化能。四、計算題（每題25分，共50分）1.某表面反應(yīng)符合Langmuir-Hinshelwood模型，反應(yīng)速率方程為r=k?θ2，其中k?=1.0×10?3cm3/mol·s。假設(shè)在給定條件下，表面覆蓋度θ=0.5。計算該表面反應(yīng)的速率。如果該反應(yīng)的活化能Ea=50kJ/mol，指前因子A=1.0×1012cm3/mol·s，請計算在300K時的反應(yīng)速率常數(shù)k，并簡要說明計算結(jié)果的意義。2.對于一個吸附控制為主的表面反應(yīng)，實驗測得在300K時，反應(yīng)速率常數(shù)為k?。當(dāng)溫度升高到310K時，速率常數(shù)變?yōu)閗?。假設(shè)指前因子A保持不變，請利用阿倫尼烏斯方程計算該表面反應(yīng)的活化能Ea。已知k?=1.0×10??mol/cm2·s，k?=3.0×10??mol/cm2·s。---試卷答案一、選擇題1.B2.A3.A4.B5.B6.C7.B8.C9.B10.B二、填空題1.Langmuir吸附等溫式2.θ（或表面覆蓋度）3.增大4.兩5.催化劑量熱法，動力學(xué)法6.表面缺陷7.速率控制步驟8.表面擴(kuò)散控制9.增大10.吸附物種的吸附熱三、簡答題1.簡述Langmuir吸附等溫式的基本原理及其適用的條件。解析思路：Langmuir吸附等溫式基于以下假設(shè)：①固體表面是均勻的，即所有活性位點(diǎn)具有相同的吸附能；②吸附分子間無相互作用；③吸附和解吸過程處于動態(tài)平衡。其基本原理是：在給定溫度下，氣相吸附質(zhì)分子在固體表面的吸附量（或覆蓋度θ）與氣相分壓P之間存在線性關(guān)系，當(dāng)吸附達(dá)到平衡時，吸附速率等于脫附速率。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為θ=K?P/(1+K?P)，其中K?為吸附平衡常數(shù)，與吸附熱有關(guān)。適用條件：主要適用于單分子層吸附、表面均勻、吸附分子間無相互作用、吸附和解吸處于平衡狀態(tài)的情況。2.試比較Langmuir-Hinshelwood模型和Eley-Rideal模型在描述表面反應(yīng)方面的主要區(qū)別。解析思路：LR模型和ER模型是描述表面反應(yīng)的兩種重要理論。區(qū)別點(diǎn)：①前體：LR模型假設(shè)反應(yīng)物分子必須先在表面上吸附形成吸附態(tài)的前體，然后兩個吸附物種在表面上直接反應(yīng)；ER模型假設(shè)只有一種反應(yīng)物分子在表面上吸附，而另一種反應(yīng)物分子以氣相形式直接與表面上的吸附物種反應(yīng)。②反應(yīng)路徑：LR模型涉及表面-表面反應(yīng)；ER模型涉及表面-氣相反應(yīng)。③速率方程形式：在低覆蓋度下，LR模型速率方程通常為r=k?θ?θ?，ER模型為r=k?θP，其中θ為表面覆蓋度，P為氣相反應(yīng)物分壓。3.溫度對表面反應(yīng)速率的影響通常通過活化能和指前因子體現(xiàn)。請解釋阿倫尼烏斯方程的物理意義，并說明如何通過實驗數(shù)據(jù)確定表面反應(yīng)的活化能。解析思路：阿倫尼烏斯方程為k=A*exp(-Ea/(RT))，其中k為反應(yīng)速率常數(shù)，A為指前因子，Ea為活化能，R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度。物理意義：該方程描述了反應(yīng)速率常數(shù)k隨絕對溫度T的變化關(guān)系。指數(shù)項exp(-Ea/(RT))反映了溫度對具有特定活化能Ea的反應(yīng)速率的制約程度，Ea越大，溫度升高對速率的促進(jìn)作用越強(qiáng)。常數(shù)A代表了在給定溫度下，不受能壘限制的碰撞頻率或反應(yīng)可能性。確定活化能：可以通過實驗測量不同溫度T下的反應(yīng)速率常數(shù)k，繪制ln(k)對1/T的關(guān)系圖（阿倫尼烏斯圖）。該圖應(yīng)呈現(xiàn)線性關(guān)系，其斜率為-Ea/R。通過計算直線的斜率，并乘以氣體常數(shù)R，即可得到表面反應(yīng)的活化能Ea。四、計算題1.某表面反應(yīng)符合Langmuir-Hinshelwood模型，反應(yīng)速率方程為r=k?θ2，其中k?=1.0×10?3cm3/mol·s。假設(shè)在給定條件下，表面覆蓋度θ=0.5。計算該表面反應(yīng)的速率。如果該反應(yīng)的活化能Ea=50kJ/mol，指前因子A=1.0×1012cm3/mol·s，請計算在300K時的反應(yīng)速率常數(shù)k，并簡要說明計算結(jié)果的意義。解析思路：①計算速率：直接將給定的k?和θ代入速率方程r=k?θ2。②計算速率常數(shù)k：使用阿倫尼烏斯方程k=A*exp(-Ea/(RT))，代入Ea=50000J/mol,A=1.0×1012cm3/mol·s,R=8.314J/(mol·K),T=300K進(jìn)行計算。③結(jié)果意義：計算出的k值是特定溫度下（300K）表面反應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)，它反映了該表面反應(yīng)在給定條件下的反應(yīng)快慢。2.對于一個吸附控制為主的表面反應(yīng)，實驗測得在300K時，反應(yīng)速率常數(shù)為k?。當(dāng)溫度升高到310K時，速率常數(shù)變?yōu)閗?。假設(shè)指前因子A保持不變，請利用阿倫尼烏斯方程計算該表面反應(yīng)的活化能。已知k?=1.0×10??mol/cm2·s，k?=3.0×10??mol/cm2·s。解析思路：①利用雙溫度下的阿倫尼烏斯方程：ln(k?/T?)=ln(A)-Ea/(R*T?)和ln(k?/T?)=ln(A)-Ea/(R*T?)。由于A相同，兩式相減得：ln(k?/T?)-ln(k?/T?)=-Ea/R*(1/