2025年大學(xué)《化學(xué)》專業(yè)題庫——功能性高分子材料的設(shè)計與改進(jìn)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括號內(nèi)）1.下列哪種化學(xué)鍵或結(jié)構(gòu)通常不作為賦予高分子材料特定光學(xué)功能（如光致變色、非線性光學(xué)）的主要內(nèi)在因素？A.共軛雙鍵體系B.嵌段共聚物的微相分離結(jié)構(gòu)C.主鏈上的強(qiáng)極性鍵（如Si-O,C=O）D.普通的范德華力2.設(shè)計具有良好血液相容性的生物醫(yī)用高分子材料時，通常需要引入或調(diào)控哪種性質(zhì)？A.高機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性B.高化學(xué)穩(wěn)定性和耐溶劑性C.優(yōu)異的氧氣阻隔性D.適度的親水性和生物可降解性3.對于要求高強(qiáng)度、高模量的功能復(fù)合材料，選擇合適的基體材料和增強(qiáng)材料時，主要考慮的是兩者之間的什么匹配性？A.熱膨脹系數(shù)的相似性B.晶體結(jié)構(gòu)的一致性C.力學(xué)性能（模量、強(qiáng)度）和熱性能的協(xié)同效應(yīng)D.電化學(xué)性質(zhì)的互補(bǔ)性4.設(shè)計一種用于環(huán)境監(jiān)測的智能高分子材料，要求其在特定污染物存在下能發(fā)生可逆的顏色變化。這種功能主要通過引入哪種機(jī)制實現(xiàn)？A.光學(xué)異構(gòu)化響應(yīng)B.化學(xué)鍵的斷裂與重組C.離子選擇性滲透D.溫度敏感的相變5.在通過物理交聯(lián)方法（如輻照交聯(lián)）改進(jìn)高分子材料的性能時，下列哪項通常是希望獲得的主要效果？A.提高分子材料的結(jié)晶度B.增強(qiáng)材料的化學(xué)穩(wěn)定性C.提高材料的柔韌性和延展性D.降低材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度6.設(shè)計藥物載體高分子材料時，控制其孔徑大小和表面性質(zhì)的主要目的是什么？A.增強(qiáng)材料的力學(xué)強(qiáng)度B.提高材料的導(dǎo)熱性能C.實現(xiàn)對藥物釋放速率和靶向性的調(diào)控D.改善材料的溶解度7.功能性高分子材料的設(shè)計常常涉及對單體進(jìn)行改性。引入吸電子取代基到聚合物主鏈或側(cè)鏈上，通常會對材料的哪種性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響？A.玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）升高B.溶解度參數(shù)增大C.電氣絕緣性能變差D.機(jī)械強(qiáng)度降低8.對于用于軟組織修復(fù)的生物可降解高分子材料，除了良好的生物相容性外，還應(yīng)重點考慮其什么特性？A.極高的力學(xué)強(qiáng)度和耐磨性B.長期穩(wěn)定不降解C.在體內(nèi)可按預(yù)定速率降解，并降解產(chǎn)物無毒性D.快速導(dǎo)電性能9.設(shè)計具有自修復(fù)功能的高分子材料，其核心在于構(gòu)建了哪種機(jī)制？A.能在微裂紋處自動填充材料的粘性流動B.材料本身具有極高的韌性C.能在紫外光照射下發(fā)生可逆交聯(lián)D.具有良好的熱膨脹系數(shù)10.在設(shè)計高分子分離膜時，為了提高對特定溶質(zhì)的選擇透過性，通常會如何調(diào)控膜的結(jié)構(gòu)？A.增加膜的厚度以降低滲透通量B.調(diào)控膜的孔徑分布和化學(xué)組成，形成選擇性吸附或篩分層C.降低膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以提高柔韌性D.增加膜的表面粗糙度以增大接觸面積二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.設(shè)計導(dǎo)電高分子材料時，通常需要引入______或______，打破原有的π電子離域體系，同時保持一定的鏈段運(yùn)動能力。2.功能性高分子材料的設(shè)計思路之一是利用高分子基體的______特性，將功能基團(tuán)引入材料內(nèi)部或表面。3.通過對高分子材料的______進(jìn)行精確調(diào)控，可以改變其光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等性能，實現(xiàn)功能化。4.設(shè)計具有形狀記憶功能的高分子材料，通常需要利用其相變過程中的______和______特性。5.改進(jìn)高分子材料的耐候性，通常需要通過引入______基團(tuán)或進(jìn)行______處理來提高。6.生物醫(yī)用功能性高分子材料的設(shè)計必須優(yōu)先考慮其______和______。7.設(shè)計高分子催化劑時，不僅要考慮其催化活性，還要關(guān)注其______、______和選擇性。8.利用______技術(shù)可以制備出具有精確納米結(jié)構(gòu)的功能性高分子薄膜，從而實現(xiàn)對材料性能的精細(xì)調(diào)控。9.對于需要長期在特定環(huán)境下使用的功能性高分子，其______和______是設(shè)計的核心關(guān)注點。10.高分子材料的改性方法多種多樣，如______、______、共混和交聯(lián)等，可以根據(jù)需求選擇合適的策略。三、簡答題（每小題5分，共15分）1.簡述設(shè)計具有光響應(yīng)功能的高分子材料時，需要考慮的關(guān)鍵因素有哪些？2.比較物理交聯(lián)和化學(xué)交聯(lián)在改進(jìn)高分子材料性能方面的主要區(qū)別。3.闡述生物可降解高分子材料在設(shè)計時，需要平衡哪些相互關(guān)聯(lián)的要求？四、計算題（共10分）已知某聚合物樣品在干燥空氣中質(zhì)量為2.00g，在水中（20℃，純水密度為0.9982g/cm3）浸泡平衡后質(zhì)量為5.80g。假設(shè)聚合物不溶于水，且樣品吸水后體積變化忽略不計。請計算該聚合物樣品的溶脹度（即吸水后質(zhì)量的增加倍數(shù)）和平衡溶脹平衡常數(shù)（Ks）。提示：溶脹度Q=(m_water-m_dry)/m_dry；平衡溶脹平衡常數(shù)Ks=V_r/(1-V_r)，其中V_r為相對溶脹體積，V_r=V_p/(V_p+V_m)，V_p為聚合物體積，V_m為溶劑（水）體積，m_water和m_dry分別為吸水后和干燥時的質(zhì)量。假設(shè)水的密度近似為1g/cm3。五、論述題（共15分）以設(shè)計一種用于傳感特定陰離子（例如Cl?）的功能性離子交換樹脂為例，闡述其設(shè)計思路。請詳細(xì)說明應(yīng)如何選擇或設(shè)計樹脂的結(jié)構(gòu)（包括骨架材料和離子交換基團(tuán)），并解釋選擇這些結(jié)構(gòu)的原因，以及如何預(yù)期該材料在識別和響應(yīng)目標(biāo)陰離子時表現(xiàn)出的性能特征。試卷答案一、選擇題1.D2.D3.C4.A5.B6.C7.A8.C9.A10.B二、填空題1.共軛雙鍵體系；離域π電子體系2.交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)3.分子結(jié)構(gòu)4.應(yīng)力記憶；應(yīng)變恢復(fù)5.紫外吸收；紫外線屏蔽6.生物相容性；生物安全性7.可重復(fù)使用性；穩(wěn)定性8.原位模板法/沉淀法/自組裝法（任選其一或多個）9.耐久性；可靠性10.接枝改性；共聚改性（任選其一或多個）三、簡答題1.解析思路：設(shè)計光響應(yīng)材料需考慮光源類型（紫外、可見、紅外等）、響應(yīng)機(jī)制（光致變色、光致交聯(lián)、光致分解等）、響應(yīng)速率、可逆性、選擇性好壞（對目標(biāo)光敏感，對其他光不敏感）、響應(yīng)后的性能變化（如顏色、溶解性、力學(xué)性能等）以及在實際應(yīng)用中的穩(wěn)定性和效率。2.解析思路：物理交聯(lián)是利用物理作用力（如輻射、高溫）使分子鏈交聯(lián)，通常無化學(xué)鍵生成或斷裂，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可能不規(guī)則，交聯(lián)度不易精確控制，交聯(lián)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，耐化學(xué)溶劑性較好，但材料可能變脆?；瘜W(xué)交聯(lián)是利用化學(xué)反應(yīng)在分子鏈間形成化學(xué)鍵（如使用交聯(lián)劑），可以精確控制交聯(lián)位點和交聯(lián)度，形成規(guī)整的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，交聯(lián)結(jié)構(gòu)相對容易在化學(xué)或熱作用下斷裂，柔韌性可能更好。3.解析思路：設(shè)計生物可降解材料需平衡降解速率、力學(xué)性能、生物相容性/安全性、降解產(chǎn)物毒性、成本以及與生理環(huán)境的相互作用?？焖俳到饪赡軐?dǎo)致植入物過早失效，慢速降解可能帶來感染風(fēng)險或長期異物反應(yīng)。力學(xué)性能需滿足應(yīng)用需求，但降解過程中性能會下降。材料降解產(chǎn)物必須無毒且能被機(jī)體良好吸收或排出。四、計算題解：（1）計算溶脹度Q：m_dry=2.00gm_water=5.80gm_water-m_dry=5.80g-2.00g=3.80gQ=(m_water-m_dry)/m_dry=3.80g/2.00g=1.90（2）計算聚合物吸水后質(zhì)量對應(yīng)的體積：假設(shè)樣品吸水后體積為V_total，其中聚合物體積V_p不變，水的體積為V_m。V_total=V_p+V_m樣品吸水后質(zhì)量m_water=m_p+m_m=m_dry+m_m=2.00g+m_mm_m=m_water-m_dry=3.80g水的密度ρ_m≈1g/cm3V_m=m_m/ρ_m=3.80g/1g/cm3=3.80cm3V_total=V_p+3.80cm3（3）計算相對溶脹體積V_r：V_r=V_p/(V_p+V_m)=V_p/V_total由V_total=V_p+3.80cm3可得V_p=V_total-3.80cm3V_r=(V_total-3.80cm3)/V_total=1-3.80/V_total（4）計算平衡溶脹平衡常數(shù)Ks：Ks=V_r/(1-V_r)=[1-3.80/V_total]/[3.80/V_total]=(V_total-3.80)/3.80需要V_total。由于題目未給出樣品總體積，但提供了密度信息，可假設(shè)樣品干燥時體積V_dry=m_dry/(密度)，這里密度未知，但計算Ks的表達(dá)式最終與V_total相關(guān)。通常此類題目要么給總體積，要么允許用V_total表示。按標(biāo)準(zhǔn)解法：Ks=(V_p/(V_p+V_m))/(V_m/(V_p+V_m))=V_p/V_mV_p=m_dry=2.00gV_m=3.80cm3Ks=2.00g/3.80cm3≈0.526（若假設(shè)水的密度精確為1g/cm3）（注意：題目提示的Ks=V_r/(1-V_r)=(V_p/(V_p+V_m))/(V_m/(V_p+V_m))=V_p/V_m。計算結(jié)果基于V_m=3.80cm3和V_p=2.00g。）五、論述題解析思路：設(shè)計陰離子傳感樹脂需圍繞“選擇性識別”和“可檢測響應(yīng)”兩個核心。首先，選擇合適的骨架材料，需考慮其化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、離子傳導(dǎo)性（如果需要信號傳導(dǎo)）以及與離子交換基團(tuán)的相容性。其次，設(shè)計或選擇離子交換基團(tuán)，關(guān)鍵在于該基團(tuán)對目標(biāo)陰離子（Cl?）具有高選擇性和高親和力，同時與Cl?結(jié)合/解離時能引起可測量的物理化學(xué)變化（如顏色突變、導(dǎo)電性改變、pH變化、熒光猝滅/增強(qiáng)等）。解釋選擇原因時要結(jié)合基團(tuán)與Cl?相互作用的理論（如離子半徑匹配、電荷相互作用、配合物形成能力等），并說