2025年大學《應用化學》專業(yè)題庫——應用化學在新型功能材料中的作用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.在金屬有機框架（MOFs）材料的合成中，化學知識主要應用于設(shè)計__________和__________，以調(diào)控材料的孔道結(jié)構(gòu)和功能。2.半導體材料的能帶結(jié)構(gòu)與其化學組成和__________密切相關(guān)，通過__________可以調(diào)控其導電性。3.化學傳感器通常利用物質(zhì)的__________響應外界特定化學物質(zhì)，并將其轉(zhuǎn)化為可測量的信號，其中傳感界面化學是關(guān)鍵。4.在光電功能材料中，材料的化學成分和結(jié)構(gòu)決定了其__________和__________特性。5.催化化學在新型功能材料制備中扮演著重要角色，例如，可以通過__________催化劑實現(xiàn)對反應路徑和產(chǎn)物選擇性的精確控制。二、簡答題（每題5分，共25分）1.簡述應用化學在制備納米材料過程中主要發(fā)揮的作用。2.解釋表面改性如何通過化學手段改善材料的性能，并舉例說明。3.闡述化學合成方法（如水熱法、溶膠-凝膠法）在制備氧化物功能材料中的應用及其優(yōu)勢。4.說明化學分析技術(shù)在表征新型功能材料結(jié)構(gòu)、組成和性能方面的重要性。5.論述化學在解決能源材料（如電池、太陽能電池）中面臨的挑戰(zhàn)（如效率、穩(wěn)定性）方面的作用。三、計算題（6分）某化學合成反應設(shè)計用于制備一種新型催化材料，理論收率為90%。實際實驗得到干燥產(chǎn)物質(zhì)量為15.8克，消耗原料A和B的質(zhì)量分別為25.0克和10.5克。假設(shè)原料A和B完全反應，且不發(fā)生副反應。請計算該實驗的產(chǎn)率。四、論述題（共29分）1.設(shè)計一種新型多功能材料的化學合成路線，該材料應具有光學響應和吸附能力，并簡要說明設(shè)計思路和預期性能。（12分）2.以一種具體的新型功能材料（如量子點、碳納米管或金屬有機框架）為例，詳細分析化學因素（如合成前驅(qū)體、反應條件、表面處理）對其關(guān)鍵性能（如光學、電學、吸附）的影響機制。（17分）試卷答案一、填空題1.結(jié)構(gòu)單元，合成方法2.微觀結(jié)構(gòu)，摻雜改性3.物理化學性質(zhì)4.光吸收，光發(fā)射（或光學響應）5.多相催化劑二、簡答題1.應用化學在制備納米材料過程中主要發(fā)揮的作用包括：設(shè)計合成前驅(qū)體分子；選擇和優(yōu)化合成方法（如溶液法、氣相法、溶劑熱法等）以精確控制納米材料的尺寸、形貌、晶體結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)；通過化學修飾或表面處理來改善納米材料的穩(wěn)定性、分散性和功能性；利用化學分析手段對納米材料進行表征和性能評估。2.表面改性通過化學手段引入新的官能團或改變材料表面的化學組成和結(jié)構(gòu)，從而改善其特定性能。例如，通過化學鍍或表面接枝反應在金屬表面形成一層聚合物或納米顆粒，可以顯著提高其耐磨性、抗腐蝕性或生物相容性；通過控制表面化學狀態(tài)，可以調(diào)節(jié)半導體納米粒子的光學吸收特性。3.化學合成方法在制備氧化物功能材料中應用廣泛。水熱法在高溫高壓溶液環(huán)境中進行合成，能有效控制材料的晶相、形貌和尺寸，尤其適用于制備多孔氧化物、納米晶和單晶材料，并能促進新相的形成。溶膠-凝膠法是一種濕化學方法，通過溶膠的制備、凝膠化和后續(xù)干燥、熱處理得到氧化物薄膜、粉末或凝膠體，具有反應溫度低、工藝簡單、組分均勻、易于控制等優(yōu)點，廣泛應用于制備陶瓷、玻璃陶瓷、薄膜和復合材料。4.化學分析技術(shù)在表征新型功能材料方面至關(guān)重要。它可以精確測定材料的元素組成和化學價態(tài)（如X射線光電子能譜XPS）；確定材料的化學鍵類型和晶體結(jié)構(gòu)（如X射線衍射XRD）；分析材料的表面形貌和微區(qū)成分（如掃描電子顯微鏡SEM、透射電子顯微鏡TEM、能量色散X射線光譜EDS）；研究材料的分子結(jié)構(gòu)和化學狀態(tài)（如核磁共振NMR、傅里葉變換紅外光譜FTIR）；測量材料的熱穩(wěn)定性、電學和光學性質(zhì)（如差示掃描量熱法DSC、四探針法、紫外-可見光譜UV-Vis），為理解材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系提供關(guān)鍵信息。5.化學在解決能源材料面臨的挑戰(zhàn)中作用顯著。在電池材料中，化學合成可設(shè)計制備具有高比容量、長循環(huán)壽命和良好倍率性能的電極材料（如鋰金屬負極的穩(wěn)定化、高電壓正極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計與改性）；通過表面化學處理（如表面包覆、蝕刻）可以抑制鋰枝晶生長、緩解體積膨脹、提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性和庫侖效率。在太陽能電池中，化學手段用于制備高效的光吸收材料（如鈣鈦礦薄膜的精確沉積與鈍化）、優(yōu)化能級結(jié)構(gòu)以減少能量損失、開發(fā)穩(wěn)定的界面層以抑制電荷復合?；瘜W合成和表面修飾對于提升能量轉(zhuǎn)換效率、延長器件壽命至關(guān)重要。三、計算題1.理論產(chǎn)量計算：首先根據(jù)原料A或B的化學計量數(shù)計算理論產(chǎn)量。假設(shè)A和B的化學計量比為1:1，摩爾質(zhì)量分別為M_A和M_B。則消耗原料A的摩爾數(shù)為n_A=25.0g/M_Amol?1，理論上可生成產(chǎn)物質(zhì)量為m_理論(A)=n_A*M_產(chǎn)物mol?1。同理計算m_理論(B)。取兩者中較小值作為理論產(chǎn)量，或根據(jù)具體化學計量關(guān)系計算。為簡化，此處假設(shè)原料過量或恰好反應，直接使用原料A計算（需實際化學計量判斷）。m_理論=25.0g/M_A*M_產(chǎn)物/M_Amol?1=25.0g*M_產(chǎn)物/M_A（此處M_產(chǎn)物和M_A未知，實際計算需代入數(shù)值，但題目未給，無法完成具體數(shù)值計算，以下按百分比計算）2.實際產(chǎn)率計算：η=(m_實際/m_理論)*100%η=(15.8g/m_理論)*100%3.假設(shè)理論產(chǎn)量m_理論為X克（實際應根據(jù)化學計量計算得出），則η=(15.8g/Xg)*100%4.題目未給出原料A和B的摩爾質(zhì)量以及最終產(chǎn)物的摩爾質(zhì)量，無法計算出具體的理論產(chǎn)量和產(chǎn)率百分比。但計算步驟如上。若假設(shè)原料A或B為過量，則理論產(chǎn)量主要由限制性原料決定。例如，若A為限制性原料，則m_理論=25.0g*M_產(chǎn)物/M_A。實際產(chǎn)率η=(15.8g/(25.0g*M_產(chǎn)物/M_A))*100%=(15.8/(25.0*M_產(chǎn)物/M_A))*100%。若已知M_A和M_產(chǎn)物，可代入計算。根據(jù)題目數(shù)據(jù)，若假設(shè)M_A和M_產(chǎn)物比例使得25.0gA對應的理論產(chǎn)量恰好為15.8g，則η=(15.8/15.8)*100%=100%。但通常原料會有過量，實際產(chǎn)率會低于100%。需具體化學計量數(shù)確定。四、論述題1.設(shè)計一種新型多功能材料的化學合成路線：目標材料：具有光學響應和吸附能力的金屬有機框架（MOF）材料。合成路線：a.選擇合適的有機連接體：選用具有光響應基團（如香草醛衍生物、偶氮苯連接體）和開放金屬位點（如Zn2?,Co2?）的有機配體L。例如，2-氨基-5-((E)-4-甲氧基-3-硝基苯亞甲基)苯甲酸（同時含有氨基、羧基、亞甲基偶氮苯光響應單元和配位基團）。b.選擇合適的溶劑和反應條件：采用水或乙醇作為溶劑，在室溫或溫和加熱條件下進行溶劑熱合成。c.選擇金屬源：使用Zn(NO?)?·6H?O作為金屬源。d.合成步驟：將配體L、Zn(NO?)?·6H?O和水（或乙醇）按一定比例混合，轉(zhuǎn)移至反應釜中，在120°C下反應24-48小時。e.產(chǎn)物分離與表征：反應結(jié)束后，冷卻反應釜，離心分離固體產(chǎn)物，用去離子水和乙醇洗滌，干燥得到目標MOF粉末。通過XRD、SEM、FTIR、紫外-可見光譜等手段進行表征。設(shè)計思路：利用有機配體L同時引入光響應單元和適合的配位基團，通過溶劑熱法自組裝形成具有高孔隙率和可調(diào)孔道的MOF結(jié)構(gòu)，其金屬位點可用于吸附目標分子，而光響應基團則賦予材料在外部光刺激下改變其光學性質(zhì)（如吸收光譜、發(fā)光顏色）的能力。預期性能：合成的MOF材料應具有高比表面積和豐富的孔道結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出良好的吸附能力（如對CO?、H?或小分子污染物的高效吸附）。同時，由于引入了光響應基團，材料應能在特定波長光照下表現(xiàn)出可調(diào)控的光吸收或發(fā)光特性，這使其在光催化、光傳感或智能材料領(lǐng)域具有潛在應用價值。2.以金屬有機框架（MOF）材料為例，分析化學因素對其光學和吸附性能的影響機制：a.合成前驅(qū)體（有機連接體和金屬源）的選擇：*連接體結(jié)構(gòu)：連接體的長度、剛性、柔性、孔道尺寸、官能團（如酸性基團、堿性基團、手性基團、光響應基團）等顯著影響MOF的孔道結(jié)構(gòu)、比表面積、化學穩(wěn)定性和光學性質(zhì)。例如，含有強酸性基團（-COOH）的連接體可以提高MOF的酸性，增強對酸性氣體（如CO?）的吸附能力。引入給電子或吸電子基團可以調(diào)節(jié)連接體的電子云密度，進而影響MOF的整體光學吸收光譜。含有光響應基團（如偶氮苯、二芳基乙烯）的連接體，其光學性質(zhì)（吸收、發(fā)射波長、強度）會隨光照條件（波長、強度、時間）的變化而可逆改變。*金屬離子：金屬離子的種類（如Zn2?,Co2?,Cu2?,Fe3?等）決定配位環(huán)境、節(jié)點連接方式（單節(jié)點、雙節(jié)點等）和整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。不同金屬離子具有不同的電荷和離子半徑，影響配位鍵的強度和孔道尺寸。例如，Zn2?通常形成較穩(wěn)定的單節(jié)點MOFs，而Co2?可能形成雙節(jié)點或更復雜的結(jié)構(gòu)。金屬離子的d軌道電子結(jié)構(gòu)也可能影響MOF的光學性質(zhì)，如產(chǎn)生特征吸收峰或熒光發(fā)射。b.化學合成條件：*溶劑：溶劑的極性、介電常數(shù)、配位能力等會影響配體和金屬離子的溶解度、自組裝過程和最終MOF的晶相、孔道結(jié)構(gòu)和比表面積。極性溶劑通常有利于親水性配體的溶解和自組裝。非質(zhì)子溶劑或特定配位溶劑可以促進形成具有特殊結(jié)構(gòu)的MOFs。*溫度和壓力（如溶劑熱法）：溫度和壓力是調(diào)控MOF自組裝過程的重要參數(shù)。較高的溫度可以增加分子動能，促進反應物擴散和碰撞，可能形成更小尺寸的納米顆?；虿煌木?。較高的壓力（溶劑熱）有利于溶解度較低的物質(zhì)和形成更穩(wěn)定、孔隙率更高的MOFs。*pH值：pH值影響配體和金屬離子的質(zhì)子化/去質(zhì)子化狀態(tài)以及溶液中的電荷平衡，進而影響MOF的自組裝和穩(wěn)定性。例如，對于含有羧基或氨基的連接體，pH值控制其配位態(tài)和分子構(gòu)型。*反應時間和前驅(qū)體比例：反應時間決定了MOF的結(jié)晶程度和生長完善度。前驅(qū)體（配體和金屬離子）的化學計量比會影響MOF的最終結(jié)構(gòu)（如孔道大小、比表面積）和穩(wěn)定性。c.表面化學與后處理：*表面修飾/功能化：通過化學方法（如浸漬法、原位法、表面接枝）在MOF表面引入額外的官能團或納米顆粒，可以進一步增強其吸附選擇性或賦予新的功能。例如，引入酸性位點可以增強對堿性氣體的吸附；引入金屬納米顆?？梢宰鳛楣獯呋瘎┗蛟鰪娋植侩妶?，影響MOF的光學響應。*穩(wěn)定性調(diào)控：通過溫和的溶劑洗滌、熱處理或摻雜小分子/離子來穩(wěn)定MOF結(jié)構(gòu)，防止其在應用環(huán)境（如高溫、高