2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——化學(xué)領(lǐng)域綜合設(shè)計實踐報告考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述資源化學(xué)的定義及其在現(xiàn)代社會發(fā)展中的重要作用。請結(jié)合至少兩種不同類型的資源（如礦產(chǎn)資源、能源資源或環(huán)境資源），闡述化學(xué)在資源有效利用、轉(zhuǎn)化和可持續(xù)管理中的關(guān)鍵作用。二、某地發(fā)現(xiàn)一種新的含氧化鐵的礦石，初步分析其主要成分為Fe2O3·xH2O，還含有少量SiO2、Al2O3等雜質(zhì)。請簡述采用化學(xué)浸出方法從該礦石中提取鐵元素的原理。比較并簡要說明濕法冶金和火法冶金在處理此類鐵礦石時的主要區(qū)別和適用條件。三、在資源化學(xué)領(lǐng)域的化學(xué)分析中，滴定分析和光譜分析（如原子吸收光譜法AAS）是兩種常用的方法。請分別說明這兩種方法的原理及其至少一個主要應(yīng)用場景。若需要測定某礦樣中痕量重金屬元素（如鉛Pb）的含量，你會優(yōu)先選擇哪種方法？并說明理由。四、現(xiàn)代工業(yè)對能源的需求日益增長，化學(xué)在能源資源的開發(fā)利用中扮演著重要角色。請選擇以下兩種能源類型中的一種（煤炭或生物質(zhì)能），概述其主要的化學(xué)轉(zhuǎn)化利用途徑，并分析其中一項主要轉(zhuǎn)化技術(shù)的化學(xué)原理、優(yōu)缺點及潛在的環(huán)境影響。五、假設(shè)你需要設(shè)計一個從工業(yè)廢水中回收有價金屬（例如，選擇一種金屬如鎳Ni或銅Cu）并實現(xiàn)資源化利用的化學(xué)工藝方案。請簡述該方案的設(shè)計思路，包括：1.廢水預(yù)處理的目的和方法。2.選擇合適的化學(xué)浸出劑及其原理。3.提出金屬回收的初步方法（如沉淀、萃取、電積等）。4.簡要說明該方案的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性考量。六、全球氣候變化背景下，二氧化碳資源化利用成為資源化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。請簡述利用化學(xué)方法將CO2轉(zhuǎn)化為有用化學(xué)品或燃料的幾種典型途徑（至少列舉三種）。選擇其中一種途徑，簡述其核心化學(xué)反應(yīng)原理，并分析其目前面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)和潛在的應(yīng)用前景。試卷答案一、資源化學(xué)是研究資源（包括礦產(chǎn)資源、能源資源、環(huán)境資源等）的化學(xué)性質(zhì)、化學(xué)轉(zhuǎn)化、化學(xué)利用及可持續(xù)管理的科學(xué)。它在現(xiàn)代社會發(fā)展中至關(guān)重要，是支撐工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和能源轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)。化學(xué)通過提供認(rèn)識物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、揭示化學(xué)反應(yīng)規(guī)律、開發(fā)高效轉(zhuǎn)化利用技術(shù)等手段，促進(jìn)資源的有效開采、深度加工、循環(huán)利用和清潔利用。例如，化學(xué)冶金技術(shù)（火法、濕法）使金屬礦產(chǎn)資源得到高效利用；化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)（如煤的化學(xué)加工、石油化工、生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化）將能源資源轉(zhuǎn)化為清潔能源和基礎(chǔ)化學(xué)品；環(huán)境化學(xué)技術(shù)則致力于將工業(yè)廢水、廢氣、廢渣中的有害物質(zhì)通過化學(xué)方法轉(zhuǎn)化為無害或資源化利用，實現(xiàn)環(huán)境保護(hù)和資源循環(huán)。二、化學(xué)浸出是利用溶劑或溶液與礦石中的目標(biāo)礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將目標(biāo)礦物中的有價組分（如鐵、銅等）溶解到溶液中，從而實現(xiàn)與脈石礦物的分離。對于含氧化鐵礦石（如Fe2O3·xH2O），常用的化學(xué)浸出方法是用酸性或堿性溶液進(jìn)行浸出。例如，使用硫酸或鹽酸溶液在高溫高壓條件下浸出，F(xiàn)e2O3·xH2O與酸反應(yīng)生成可溶性的鐵鹽（如FeSO4或FeCl3）和水，雜質(zhì)SiO2、Al2O3等則通常不溶或形成溶解度很低的鹽類而被過濾除去。濕法冶金的優(yōu)點是流程相對短、投資較低、易于實現(xiàn)連續(xù)化和自動化，但浸出效率可能受礦漿性質(zhì)影響較大。火法冶金通常在高溫下進(jìn)行，利用高溫使金屬氧化物還原為金屬單質(zhì)，或使金屬硫化物氧化為金屬氧化物再進(jìn)行還原。其優(yōu)點是處理能力大、對某些復(fù)雜礦石適應(yīng)性較好，但能耗高、污染大、流程長。選擇濕法還是火法取決于礦石性質(zhì)、金屬價值、環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)效益等多種因素。三、滴定分析是基于化學(xué)反應(yīng)等當(dāng)量原理，通過用已知準(zhǔn)確濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液（滴定劑）滴定待測物質(zhì)的溶液，根據(jù)消耗滴定劑體積計算出待測物質(zhì)含量的一種分析方法。其原理是利用滴定劑與待測物按確定化學(xué)計量關(guān)系發(fā)生完全反應(yīng)。光譜分析（如AAS）是基于物質(zhì)分子或原子對特定波長輻射的吸收、發(fā)射或散射特性進(jìn)行元素分析的方法。其原理是每種元素的原子只能吸收或發(fā)射特定波長的光，形成特征光譜線，通過測量特征譜線的強(qiáng)度來確定元素的含量。滴定分析主要用于常量組分的分析，操作相對簡單，成本較低。光譜分析（AAS）靈敏度高，適用于微量和痕量組分的分析，儀器自動化程度高。測定礦樣中痕量重金屬元素（如鉛Pb），優(yōu)先選擇原子吸收光譜法（AAS）。理由是AAS靈敏度高，能夠滿足痕量分析的要求，且鉛元素有特征吸收線，分析方法成熟可靠。四、選擇：生物質(zhì)能。概述：生物質(zhì)能可以通過多種化學(xué)轉(zhuǎn)化途徑加以利用。主要途徑包括：1）熱化學(xué)轉(zhuǎn)化：如熱解，在缺氧或微氧條件下加熱生物質(zhì)，產(chǎn)生生物油、焦炭和燃?xì)?；氣化，在高溫缺氧條件下將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為富含氫和一氧化碳的合成氣（syngas）；2）生物化學(xué)轉(zhuǎn)化：主要是發(fā)酵，利用微生物將糖類、纖維素等轉(zhuǎn)化成乙醇或methane；3）化學(xué)化學(xué)轉(zhuǎn)化：如費托合成、甲醇合成，將生物質(zhì)衍生的合成氣轉(zhuǎn)化為液體燃料（如汽油、柴油）或化學(xué)品。以氣化為例，其化學(xué)原理是在高溫（通常700-1000°C）和缺氧條件下，生物質(zhì)中的碳水化合物發(fā)生一系列復(fù)雜的熱解反應(yīng)，主要生成水煤氣（CO+H2）反應(yīng)：C+H2O→CO+H2，以及碳水合物分解反應(yīng)等。優(yōu)點是轉(zhuǎn)化效率較高，產(chǎn)物（特別是合成氣）可作為多種化工產(chǎn)品的原料，有助于廢棄物資源化。缺點是過程復(fù)雜，副產(chǎn)物多，產(chǎn)物焦油含量高需要進(jìn)一步處理，技術(shù)成熟度和成本仍需提高。環(huán)境影響方面，若原料為農(nóng)業(yè)廢棄物，可實現(xiàn)碳循環(huán)；但若處理不當(dāng)可能產(chǎn)生污染物，需優(yōu)化工藝控制。五、設(shè)計思路（選擇回收鎳Ni）：1.廢水預(yù)處理：目的在于去除懸浮雜質(zhì)、油污等，提高后續(xù)浸出效率并保護(hù)設(shè)備。方法可包括沉淀、過濾、浮選或吸附等。2.化學(xué)浸出：選擇合適的浸出劑是關(guān)鍵。常用的是硫酸鹽浸出體系，使用硫酸鎳作為浸出劑和后續(xù)回收的中間產(chǎn)物，反應(yīng)式可簡化為：NiO+H2SO4→NiSO4+H2O。也可以使用氨浸或鹽酸浸出。原理是利用酸或絡(luò)合劑與鎳形成可溶性鹽。3.金屬回收：浸出液經(jīng)凈化后，可通過電積法得到高純度鎳金屬。電積原理是利用電解池，在陰極上鎳離子得到電子沉積為金屬鎳：Ni2?+2e?→Ni。也可以采用溶劑萃取、離子交換等方法進(jìn)行分離富集。4.經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性：方案需考慮浸出劑成本、能源消耗、金屬回收率、廢液處理成本。選用硫酸鹽浸出并電積，相對成熟，回收率高。環(huán)境友好性體現(xiàn)在：盡量循環(huán)使用浸出劑（如NiSO4溶液）；產(chǎn)生的酸液通過中和處理達(dá)標(biāo)排放；電積過程產(chǎn)生的陽極污泥需妥善處理；關(guān)注浸出過程可能產(chǎn)生的有害副產(chǎn)物（如氰化物，若采用相關(guān)預(yù)處理）的控制。六、CO2資源化利用途徑：1）直接利用：如作為化工原料合成尿素、甲醇、碳酸鈣等；2）電化學(xué)轉(zhuǎn)化：利用電解池將CO2還原為甲酸鹽、甲醇等有機(jī)物；3）光催化轉(zhuǎn)化：利用半導(dǎo)體光催化劑在光照下將CO2還原為碳?xì)淙剂匣蚧瘜W(xué)品；4）催化轉(zhuǎn)化：在高溫和催化劑作用下將CO2轉(zhuǎn)化為合成氣（CO+H2），再用于費托合成、甲醇合成等；5）轉(zhuǎn)化為一氧化碳：利用電解水產(chǎn)生的氫氣與CO2反應(yīng)制取合成氣（CO2+H2→CO+H2O）。選擇：電化學(xué)轉(zhuǎn)化。核心化學(xué)原理：在電化學(xué)池中，CO2分子在電極表面受到外加電場的驅(qū)動，發(fā)生還原反應(yīng)。在陰極，CO2分子接受電子，通常先轉(zhuǎn)化為碳酸根離子（CO32?）或碳酸氫根離子（HCO3?），然后進(jìn)一步還原為甲酸鹽（R-COO?）或甲醇（CH3OH）。典型的反應(yīng)路徑涉及多步電子轉(zhuǎn)移和質(zhì)子參與的過程，例如CO2還原為甲酸鹽的機(jī)理可能包括：CO2+2e?+H2O→HCO3?+OH?，隨后HCO3?在陰極表面進(jìn)一步還原。反應(yīng)通常需要合適的電極材料（如貴金屬或過渡金屬氧化物）、電解質(zhì)溶液和一定的電勢條件。主要技術(shù)挑戰(zhàn)：1）陰極催化活性：目前缺乏足夠高效的、能在溫和條件下將CO2高選擇性還原為目標(biāo)產(chǎn)物的非貴金屬催化劑；2）能量效率：電化學(xué)還原過程通常需要較高的電能輸入，能量效率有待提高；3）反應(yīng)動力學(xué)：某些步驟的動力學(xué)過程較慢，限制了整體反應(yīng)