2025年大學(xué)《化學(xué)測量學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——電化學(xué)測量技術(shù)應(yīng)用研究考試時(shí)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(xiàng)的代表字母填入括號內(nèi)）1.在電化學(xué)分析中，能斯特方程描述的是（）。A.電極電位與溫度的關(guān)系B.電極電位與溶液pH值的關(guān)系C.電極電位與離子活度（或濃度）的對數(shù)關(guān)系D.電流與電極電位的關(guān)系2.對于一個(gè)可逆電極過程，當(dāng)體系達(dá)到平衡時(shí)，其過電位等于（）。A.0B.飽和甘汞電極電位C.標(biāo)準(zhǔn)電極電位D.活化過電位3.在電位分析法中，若待測離子是陰離子，則通常選用（）作為指示電極。A.銀電極B.氫電極C.鉑黑電極D.飽和甘汞電極4.線性掃描伏安法（LSV）中，掃描電位方向?yàn)椋ǎ.正向B.負(fù)向C.交替正反向D.不變5.電化學(xué)阻抗譜（EIS）主要研究的是（）。A.電極過程動(dòng)力學(xué)速率B.電極界面電荷轉(zhuǎn)移電阻C.電極的電容效應(yīng)D.傳質(zhì)過程阻力6.溶出伏安法（SV）與普通伏安法相比，其主要優(yōu)點(diǎn)之一是（）。A.靈敏度更高B.操作更簡單C.選擇性更好D.適用于所有金屬離子分析7.在電化學(xué)分析中，使用支持電解質(zhì)的主要目的是（）。A.提供待測離子B.增大溶液電導(dǎo)C.消除干擾離子的影響D.提高電極電位8.電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)的速率通常用（）表示。A.電流密度B.電極電位C.過電位D.電容9.生物電化學(xué)傳感器通常利用（）作為信號轉(zhuǎn)換元件。A.離子選擇性電極B.工作電極C.參比電極D.金屬氧化物半導(dǎo)體10.電化學(xué)儲(chǔ)能器件的研究熱點(diǎn)之一是提高（）。A.充放電速率B.循環(huán)壽命C.能量密度D.以上都是二、填空題（每空2分，共20分。請將正確答案填入橫線上）1.電化學(xué)分析儀器通常由三部分組成：______、______和______。2.極化曲線是描述電極電位隨______變化的曲線。3.循環(huán)伏安法是一種常用的______電化學(xué)技術(shù)，可以用于研究電極反應(yīng)的______和______。4.提高電化學(xué)分析靈敏度的常用方法有______、______和采用______等。5.離子選擇性電極的電位響應(yīng)符合______關(guān)系。三、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.能斯特方程2.過電位3.電化學(xué)阻抗譜4.溶出伏安法5.生物電化學(xué)傳感器四、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述電位分析法與伏安分析法的根本區(qū)別。2.影響電化學(xué)測量選擇性的主要因素有哪些？3.簡述循環(huán)伏安法的基本原理及其主要應(yīng)用。4.電化學(xué)測量技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中可以用于檢測哪些類型的污染物？舉例說明。五、論述題（每小題10分，共20分）1.論述電極過程動(dòng)力學(xué)研究對于電化學(xué)測量技術(shù)發(fā)展的重要性。2.選擇一種你感興趣的電化學(xué)測量技術(shù)（如電化學(xué)傳感器、電化學(xué)阻抗譜等），結(jié)合具體應(yīng)用實(shí)例，論述其研究現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)及未來發(fā)展方向。六、計(jì)算題（共15分）某電化學(xué)分析中，采用線性掃描伏安法測定某體系。掃描電位范圍為-0.2V至+0.6V，掃描速率為100mV/s。在+0.4V處出現(xiàn)一個(gè)峰，峰電流為5.0μA。已知該體系響應(yīng)符合能斯特方程，當(dāng)外加電位相對于標(biāo)準(zhǔn)電位偏移50mV時(shí)，峰電流變化了1.0μA。請計(jì)算：（1）該電極反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移數(shù)（n）；（2）在掃描開始時(shí)，該體系在+0.4V電位下的真實(shí)電流密度（設(shè)此時(shí)電位接近平衡電位）。（假設(shè)擴(kuò)散是限制性步驟，D=1.0×10^-5cm^2/s，電極面積為0.1cm^2，法拉第常數(shù)F=96485C/mol）---試卷答案一、選擇題1.C2.A3.A4.A5.B6.A7.B8.A9.B10.D二、填空題1.工作電極參比電極輔助電極（或?qū)﹄姌O）2.電流密度（或通過電極的電流）3.研究氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)電極過程可逆性4.提高電極表面積使用離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)緩沖液（或ISBS）使用高靈敏度檢測器5.能斯特（Nernst）三、名詞解釋1.能斯特方程：描述可逆電極電位與溶液中相關(guān)離子活度（或濃度）及溫度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)公式。2.過電位：電極電位與平衡電位之差的絕對值，是電極過程不可逆性的量度。3.電化學(xué)阻抗譜：通過測量交流正弦信號下電極體系的阻抗隨頻率變化的曲線，來研究電極過程動(dòng)力學(xué)的技術(shù)。4.溶出伏安法：先將待測離子在陰極表面富集，然后通過施加反向電位將富集的離子強(qiáng)制氧化或還原并釋放出來，同時(shí)記錄產(chǎn)生的電流-電位曲線的一種伏安分析技術(shù)。5.生物電化學(xué)傳感器：利用生物分子（如酶、抗體、核酸等）的電化學(xué)活性或生物催化/識(shí)別作用，將生物信息轉(zhuǎn)換為電化學(xué)信號的器件。四、簡答題1.答：電位分析法基于測量電池的電動(dòng)勢，該電動(dòng)勢與待測離子活度（或濃度）成確定關(guān)系，測量時(shí)電位基本保持不變，通常需要外加已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行校準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)加入法或直接電位法）。伏安分析法基于測量通過電極的電流與電極電位的關(guān)系，通過掃描電位或控制電位來獲得伏安曲線，直接反映電極表面發(fā)生的電化學(xué)過程，靈敏度通常高于電位分析法。2.答：影響選擇性的主要因素包括：電極本身的響應(yīng)選擇性、溶液中共存離子的性質(zhì)及濃度、溶液的pH值、絡(luò)合劑或掩蔽劑的存在、溫度等。3.答：循環(huán)伏安法是在恒電位模式下，以一定的掃描速率掃描電位，從一個(gè)電位掃描到另一個(gè)電位，然后再以相反的掃描速率掃回原電位的一種技術(shù)。其基本原理是通過監(jiān)測電流隨電位的變化，特別是掃描回程時(shí)出現(xiàn)的氧化還原峰，來研究電極反應(yīng)的可逆性、速率控制步驟、反應(yīng)機(jī)理等。主要應(yīng)用于電化學(xué)體系動(dòng)力學(xué)研究、無機(jī)及有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定、電化學(xué)修飾電極研究、金屬離子絡(luò)合研究等。4.答：電化學(xué)測量技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中可廣泛用于檢測各種污染物。例如：利用離子選擇性電極（ISE）檢測水體中的重金屬離子（如鉛Pb2?、鎘Cd2?、汞Hg2?、銅Cu2?等）、氟離子F?、氯離子Cl?等；利用伏安法（如溶出伏安法）檢測水體中的金屬離子；利用電化學(xué)傳感器檢測水體或氣體中的有機(jī)污染物（如酚類、硝酸鹽、亞硝酸鹽、農(nóng)藥等）；利用電化學(xué)阻抗譜研究腐蝕過程或監(jiān)測材料腐蝕狀態(tài)。五、論述題1.答：電極過程動(dòng)力學(xué)是研究電極/溶液界面處發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)的速率、機(jī)理、影響因素以及界面結(jié)構(gòu)變化等基本問題的科學(xué)。其研究對于電化學(xué)測量技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。首先，深入理解電極過程動(dòng)力學(xué)有助于優(yōu)化電化學(xué)測量條件，如選擇合適的電極材料、控制電位或電流、加入添加劑等，以提高測量的靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性。其次，動(dòng)力學(xué)研究可以幫助判斷測量的可逆性，區(qū)分不同類型的電極過程（如電化學(xué)控制、傳質(zhì)控制），從而選擇或開發(fā)更合適的測量技術(shù)。此外，對復(fù)雜電極過程的動(dòng)力學(xué)分析有助于建立更精確的分析方法，解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并將其應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域，如腐蝕與防護(hù)、能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換、生物電化學(xué)等。總之，電極過程動(dòng)力學(xué)是電化學(xué)測量技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)方向。2.答：（以下為示例，可根據(jù)個(gè)人興趣選擇其他技術(shù)）以電化學(xué)傳感器為例，其研究現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及發(fā)展方向如下：研究現(xiàn)狀：電化學(xué)傳感器因其靈敏度高、響應(yīng)快、成本低、易于小型化和集成化等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)檢測（血糖、膽固醇、腫瘤標(biāo)志物等）、環(huán)境監(jiān)測（重金屬、有機(jī)污染物、氣體等）、食品安全、工業(yè)過程控制等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前的研究熱點(diǎn)主要集中在提高傳感器的靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性和抗干擾能力，降低檢測限，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場、實(shí)時(shí)、原位監(jiān)測。新型電極材料（如納米材料、導(dǎo)電聚合物、金屬有機(jī)框架MOFs等）、生物分子標(biāo)記（酶、抗體、適配體、核酸等）的引入以及微流控技術(shù)的結(jié)合是當(dāng)前發(fā)展的主要方向。面臨的挑戰(zhàn)：傳感器在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)，如信號穩(wěn)定性、長期重復(fù)使用性、環(huán)境適應(yīng)性（溫度、濕度等）、生物分子的固定化與穩(wěn)定性、信號放大與讀出方法的優(yōu)化、以及傳感器的小型化、智能化和無線傳輸?shù)?。未來發(fā)展方向：未來電化學(xué)傳感器的發(fā)展將更加注重多功能集成（如同時(shí)檢測多種目標(biāo)物）、智能化（如自校準(zhǔn)、自診斷）、便攜化和網(wǎng)絡(luò)化（如接入物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測）。開發(fā)基于新型納米材料、二維材料、可穿戴/植入式生物電化學(xué)傳感器的智能監(jiān)測系統(tǒng)將是重要的發(fā)展趨勢，以滿足日益增長的對精準(zhǔn)、快速、便捷檢測的需求。六、計(jì)算題（1）根據(jù)能斯特方程，在擴(kuò)散控制下，線性掃描伏安法的峰電位E_p與標(biāo)準(zhǔn)電位E_0^°的關(guān)系為：E_p=E_0^°+(0.059/n)log(D/k_s)，其中k_s是與擴(kuò)散系數(shù)D和電極面積A相關(guān)的常數(shù)，k_s=2.303nFD/(2πr^2)，r為電極半徑。更常用的關(guān)系是峰電位相對于掃描起始電位（設(shè)為E_start）的偏移：ΔE_p=E_p-E_start=(0.059/n)log(D/A)，當(dāng)電位相對于標(biāo)準(zhǔn)電位偏移50mV時(shí)，即ΔE=0.05V，此時(shí)電流變化了1.0μA（設(shè)Δi_p=1.0μA），真實(shí)電流密度j=Δi_p/A=1.0μA/0.1cm^2=10μA/cm^2。根據(jù)極限電流I_d=2.303nFjA=2.303nFD/r^2，結(jié)合峰電位關(guān)系式，可以得到n=(ΔE/(0.059log(D/A)))*(2.303FI_d/(2.303nFDA))。簡化后，若假設(shè)D/A項(xiàng)在前后計(jì)算中可消去或已知，可通過ΔE/(0.059/n)估算n。更直接地，對于線性掃描伏安法，ΔE_p/ΔE=n，其中ΔE_p是峰電位偏移量（相對于平衡電位），ΔE是掃描電位范圍的一半。在本題中，掃描范圍是-0.2V至+0.6V，ΔE=0.6-(-0.2)=0.8V，ΔE_p=0.05V。因此，n=ΔE_p/(ΔE/100)=0.05V/(0.8V/100)=0.05*100/0.8=6.25。通常取整數(shù)，n=6。（2）真實(shí)電流密度j出現(xiàn)在電位接近平衡電位時(shí)。對于可逆電極，平衡電位時(shí)電流為零。在掃描開始時(shí)，電位為-0.2V，接近平衡電位，假設(shè)此時(shí)過程為擴(kuò)散控制，j=I_d/A。已知掃描到+0.4V時(shí)峰電流為5.0μA，即i_p=5.0μA。對于可逆體系，峰電流i_p=(2.303nFjA)/(πr^2)=(2.303nFj)/(πr^2)*(1/r)=(2.303nFj)/(πr^3)。而極限電流I_d=(2.303nFjA)/(πr^2)。由于n=6（從上一步計(jì)算），F(xiàn)=96485C/mol，A=0.1cm^2=1×10^-2m^2=1×10^-4cm^2，D=1.0×10^-5cm^2/s，假設(shè)電極半徑r很?。ɡ?mm=0.1cm），則I_d=2.303*6*96485*j*1×10^-4/(π*(0.1)^2)=2.303*6*96485*j*10^-4/(π*10^-2)=2.303*6*96485*j*10=1.32*10^7*j。i_p=I_d/2.303≈1.32*10^7*j。因此，j=i_p/(1.32*10^7)=5.0