2025年大學《資源化學》專業(yè)題庫——分子篩化學合成及應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題3分，共15分）1.分子篩2.水熱合成3.比表面積4.離子交換容量5.分子篩催化二、填空題（每空1分，共20分）1.分子篩根據(jù)孔徑大小可分為______型和______型。2.常用的分子篩合成模板劑包括______、______和______等。3.影響分子篩水熱合成產物的關鍵因素主要有______、______、______和______。4.表征分子篩比表面積和孔徑分布常用的方法是______。5.分子篩在催化領域可作______或______。6.分子篩在吸附分離中利用了其______和______的特性。7.ZSM-5分子篩屬于______型分子篩，其結構式中有______和______兩種孔道。8.金屬有機框架（MOF）材料有時也被視為廣義分子篩，其主要優(yōu)勢在于______。三、簡答題（每題5分，共25分）1.簡述水熱合成法合成分子篩的基本原理。2.簡述X射線衍射（XRD）技術在分子篩表征中的作用。3.簡述分子篩作為催化劑載體的優(yōu)勢。4.簡述分子篩在天然氣凈化（脫除CO?）方面的應用原理。5.簡述影響分子篩離子交換性能的主要因素。四、論述題（每題10分，共20分）1.論述分子篩合成中模板劑的作用及其脫除的重要性。2.論述分子篩在資源化學領域的應用前景，并選擇其中一個應用方向進行詳細闡述。五、計算題（共10分）已知某氣體在25℃下，于一個裝滿分子篩的吸附瓶中達到吸附平衡，瓶內壓強從初始的1.013×10?Pa下降到8.09×10?Pa。假設該系統(tǒng)符合亨利定律，且在實驗條件下，該氣體的亨利常數(shù)KH=5.0×10?Pa。求該分子篩對此氣體的平衡吸附量（以每克分子篩吸附的氣體摩爾數(shù)表示）。試卷答案一、名詞解釋1.分子篩：具有精確且均勻的孔徑結構（通常在分子尺度），能夠選擇性吸附或分離分子大小不同的物質的多孔材料，通?；诜惺?、碳分子篩、硅膠、金屬有機框架等。2.水熱合成：在高溫（通常>100°C）和高壓（通常>1個大氣壓）的水溶液或懸浮液體系中，通過化學反應合成目標材料的方法。3.比表面積：單位質量或單位體積的物質所具有的總表面積，對于分子篩等多孔材料，通常指比表面積，單位為平方米/克（m2/g）。4.離子交換容量：單位質量或單位體積的分子篩能夠吸附或交換的離子的量，通常以每克分子篩含有的毫摩爾數(shù)（mmol/g）或毫克當量/克（meq/g）表示。5.分子篩催化：利用分子篩作為催化劑或催化劑載體，在化學反應中表現(xiàn)出選擇性吸附反應物、提供反應活性位點、控制反應路徑以及分離產物等作用的現(xiàn)象。二、填空題1.大孔；微孔2.氨水；乙二胺；四乙氧基硅烷（或TEOS）3.溫度；壓力；pH值；反應時間4.氮氣吸附-脫附等溫線（BET）5.催化劑載體；催化劑6.選擇性吸附；分子篩分7.MFI；沸石骨架；十元環(huán)孔道8.結構設計靈活；比表面積巨大；孔道可調三、簡答題1.水熱合成原理：在水熱條件下，模板劑分子與硅源、鋁源等前驅體在溶液中發(fā)生水解、縮聚等反應，形成具有特定結構的納米晶核。隨后，晶核在過飽和度驅動下生長，模板劑分子進入晶格內部或占據(jù)孔道空間，維持結構的規(guī)整性。反應結束后，通過洗滌去除模板劑，得到目標分子篩產物。2.XRD在分子篩表征中的作用：X射線衍射技術可以用來鑒定分子篩的晶相結構，確定其空間群對稱性。通過分析衍射峰的位置、強度和形貌，可以識別分子篩的種類（如FAU型、MFI型等），判斷合成產物是否純相，以及評估其結晶度。對于晶粒尺寸、微晶疇尺寸等結構參數(shù)也有一定的測定能力。3.分子篩作為催化劑載體的優(yōu)勢：①高比表面積和規(guī)整的孔道結構，為活性組分提供大量分散的活性位點；②孔道擇形催化效應，可以限制反應物和產物的分子尺寸，提高反應的選擇性；③離子交換性，可以方便地負載和脫載活性組分，調節(jié)催化性能；④穩(wěn)定性，分子篩本身具有較好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，有利于催化劑在實際應用中的長期使用。4.分子篩用于天然氣凈化的原理：利用分子篩（如3A、4A、5A、13X等）具有精確孔徑和離子交換能力的特點。天然氣中的CO?分子直徑（約0.33nm）比甲烷分子直徑（約0.38nm）小，且CO?是極性分子，能與分子篩孔道內的可交換陽離子（如Na?、K?、Ca2?等）發(fā)生作用形成極性配位鍵。通過選擇合適的分子篩和調節(jié)其離子類型，可以實現(xiàn)CO?對甲烷的選擇性吸附，從而達到脫除CO?、提高天然氣純度的目的。5.影響分子篩離子交換性能的主要因素：①分子篩骨架的酸性：骨架酸性越強，對酸性氣體（如CO?、H?S）或陽離子的吸附和交換能力越強；②孔道內可交換陽離子的種類和數(shù)量：陽離子電荷越高、半徑越小，通常交換能力越強；③溫度：溫度升高通常不利于離子交換的進行；④pH值：溶液的pH值會影響分子篩表面電荷和離子平衡，進而影響離子交換；⑤孔道結構：孔道大小和形狀會影響離子在孔內的遷移能力和交換速率。四、論述題1.分子篩合成中模板劑的作用及其脫除重要性：模板劑（Templates）在水熱合成分子篩過程中扮演著至關重要的角色。其主要作用包括：①形成結構導向：模板劑分子能夠與硅鋁酸鹽骨架前驅體相互作用，插入或占據(jù)骨架的特定位置，如同“模板”一樣，引導和控制骨架的縮聚過程，形成特定孔道拓撲結構；②維持孔道開敞：模板劑分子的大小和形狀可以決定分子篩孔道的尺寸和形狀，并有助于維持孔道的規(guī)整性和開敞性；③脫模作用：在硅鋁酸鹽骨架形成的同時，模板劑參與構建了初始結構，待骨架成熟后，模板劑分子通常變得不飽和或與骨架結合緊密，隨后通過后續(xù)的熱處理或溶劑萃取等方式將其“脫除”。脫除模板劑的重要性在于：①得到純凈產物：去除模板劑才能獲得純的、目標結構的分子篩材料；②釋放孔道：模板劑的脫除是形成分子篩開放孔道的必要條件，否則會得到堵塞的、無活性的“空殼”結構；③提高性能：模板劑的殘留可能會影響分子篩的穩(wěn)定性、活性、選擇性等物理化學性質；④回收利用：某些模板劑（如有機胺類）具有回收價值，脫除過程也便于后續(xù)的回收和循環(huán)利用。沒有模板劑的脫除，分子篩的結構和性能將無法達到預期。2.分子篩在資源化學領域的應用前景及詳細闡述（選擇天然氣凈化為例）：分子篩在資源化學領域具有廣闊的應用前景，特別是在能源、環(huán)境、材料等戰(zhàn)略性新興產業(yè)中發(fā)揮著關鍵作用。其核心優(yōu)勢在于其高度規(guī)整的納米孔道結構、巨大的比表面積、可調變的孔徑和表面性質，以及豐富的化學組成和合成方法。在眾多應用中，分子篩在天然氣凈化領域的應用尤為突出。分子篩用于天然氣凈化的核心原理是基于其精確的孔徑尺寸（通常在分子尺度）和離子交換能力，實現(xiàn)對天然氣中雜質組分（主要是CO?和H?S）的選擇性吸附分離。天然氣是重要的清潔能源，其主要成分是甲烷（CH?），但通常含有少量的CO?、H?S、水蒸氣以及重烴等雜質。這些雜質的存在不僅降低了天然氣的熱值，還會對后續(xù)的管道運輸、液化或化工利用造成腐蝕、堵塞等問題。因此，高效的天然氣凈化技術對于保障能源安全和提升天然氣利用價值至關重要。分子篩凈化的具體過程如下：首先，選擇合適的分子篩吸附劑。根據(jù)目標雜質（如CO?分子直徑約0.33nm，比甲烷?。┑拇笮『蜆O性，選擇孔徑略小于甲烷但能容納CO?分子通過的分子篩（如3A、4A、5A、13X等）。這些分子篩通常帶有可交換的陽離子（如Na?）。然后，將待凈化的天然氣在適當?shù)膲毫ο峦ㄟ^分子篩床層。由于CO?分子直徑小于甲烷，且CO?是極性分子，能夠進入分子篩的孔道并與孔道內的可交換陽離子發(fā)生物理吸附或化學吸附（形成配位鍵）。而甲烷分子直徑稍大且非極性，難以進入孔道或與極性位點作用，從而被選擇性地保留在氣流中。同時，分子篩也可以吸附天然氣中的水蒸氣、H?S等其他雜質。經過吸附分離后，富含甲烷的凈化天然氣從分子篩床的出口端輸出，而含有雜質CO?、H?S等的富集氣體則從另一端排出。根據(jù)吸附劑的飽和程度，可以通過降低壓力（解吸）或加熱（再生）的方式，使吸附劑脫附雜質，恢復其吸附能力，實現(xiàn)循環(huán)利用。分子篩天然氣凈化的優(yōu)勢在于：①選擇性強：能夠實現(xiàn)對CO?等雜質的高效選擇性分離，分離效率可達95%以上；②操作條件溫和：通常在接近常溫常壓的條件下即可進行，能耗較低；③技術成熟：分子篩吸附分離技術已有多年的工業(yè)應用經驗；④適用性廣：可處理不同來源和組成的天然氣。目前，分子篩吸附法是工業(yè)上大規(guī)模生產高純度天然氣（如用于液化天然氣LNG、化工原料氣等）的最主要凈化技術之一。未來，隨著對分子篩材料性能的深入研究和改進（如開發(fā)更高選擇性、更高容量、更強穩(wěn)定性、更低成本的分子篩，或采用多級吸附、變壓吸附等技術），分子篩在天然氣凈化以及其他資源轉化利用領域（如CO?捕集與封存、碳氫化合物分離、手性催化等）的應用前景將更加廣闊。五、計算題解：根據(jù)亨利定律，平衡吸附量q與氣體的分壓p和亨利常數(shù)KH成正比，即q=KH*p。在本題中，初始壓強p_initial=1.013×10?Pa，平衡壓強p_eq=8.09×10?Pa。吸附前瓶內充滿氣體，假設氣體總量為n，瓶體積為V，則初始分壓p_initial=nRT/V，平衡時分壓為p_eq=(n-n_adsorbed)RT/V，其中n_adsorbed為被吸附的氣體摩爾數(shù)。因此，p_initial-p_eq=n_adsorbed*RT/V。由q=KH*p_eq，將p_eq代入得：q=KH*(p_initial-p_eq)/RT。將數(shù)值代入：q=(5.0×10?Pa)*[(1.013×10?Pa)-(8.09×10?Pa)]/(8.314J/(mol·K)*298K)q=(5.0×10?)*(2.04×10?)/(2477.572)q≈4.138×101?Pa·Pa/(2477.572J/(mol·K))q≈1.674×10?mol·Pa/Jq≈1.674×10?mol/(1.013×10?Pa*8.314J/(mol·K))q≈1.674×10?mol/(8.314×103N·m/(mol·K)*Pa)q≈1.674×10?mol/(8.314×103J/(mol·K)*Pa)q≈1.674×10?mol/(8.314×103Pa·m3/(mol·K))q≈1.674×10?mol/8.314×103m3·Pa/(mol·K)q≈1.674×10?mol/8.314×103(m3·Pa)/(mol·Pa·m3/(mol·K))q≈1.674×10?mol/8.314q≈2017.3mol假設吸附在一個克分子篩（M≈270g/mol）上，則每克分子篩的吸附量為：q(mol/g)=2017.3mol/(n*M)其中n是分子篩的摩爾數(shù)。因為q=KH*p_eq，所以n*M*q/(KH*p_eq)=1。n=1/(M*q/(KH*p_eq))n=1/(270g/mol*2017.3mol