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大学化学先修课程试卷 2013年9月


大学先修课程考试? 大学化学?
? (考试时间:2 小时,卷面总分:100 分,共四道题,考试允许带英汉词典)? ? 一、美国《科学》杂志 2009 年报道了甲烷水化核形成机理的研究文章。请阅读 下面文章节选,并回答如下问题。? ? When?methane?dissolves?in?water,?a?hydrate?phase?becomes?thermodynami

cally? stable?at?sufficiently?low?temperatures?and?high?pressures?(e.g.,?for?pressures?above? 80?bar?when?the?temperature?is?10°C).?The?water‐methane?liquid?mixture?is?then?said? to?be?metastable (亚稳) ? with?respect?to?the?hydrate.?The?basic?mechanism?by?which? a? stable? phase? is? formed? within? a? metastable? phase? is? called? nucleation(成核).? Under?the?action?of?thermal?motion,?molecular?fluctuations?give?rise?to?small?nuclei? of?the?new?phase.?The?lower?free?energy?of?the?new?phase?stabilizes?nuclei,?but?an? energetic? penalty(能量不利)? must? be? paid? to? form? an? interface? with? the? liquid.? Below?a?critical?nucleus?size(临界核大小),?surface?effects?are?dominant?and?nuclei? redissolve?spontaneously(自发地).?Above?the?critical?size,?on?the?other?hand,?the? lower? free? energy? of? the? bulk? stable? phase? overpowers? the? interfacial? penalty,? and? nuclei? grow,? leading? to? the? appearance? of? a? new? phase.? Beyond? these? generalities,? though,?it?is?not?known?what?a?critical?hydrate?nucleus?looks?like?or?how?large?it?is,? nor?is?it?understood?how?a?bulk?hydrate?phase?grows?from?a?critical?nucleus.?Because? the?rate?of?nucleation?depends?exponentially(指数依赖)? on?the?energetic?cost?of? forming? a? critical? nucleus,? the? lack? of? detailed? knowledge? of? hydrate? nucleation? prevents?the?accurate?prediction?of?hydrate?formation?kinetics.? ? 1. 请从热力学平衡角度解释为何文章中说: “When?methane?dissolves?in?water,?a? hydrate? phase? becomes? thermodynamically? stable? at? sufficiently? low? temperatures?and?high?pressures” 。? __________________________________________________________________? __________________________________________________________________? _________________________________________________________________。 ? 2. 上述节选中提到水化核形成过程中有两个相互竞争的能量因素可能导致水化 核重新溶解或长大, 这两个能量因素分别是_____________________________ 和_______________________________。? 3. 文中最后提到, “the?rate?of?nucleation?depends?exponentially?on?the?energetic?

cost?of?forming?a?critical?nucleus” 。请应用化学动力学原理解释这句话。? __________________________________________________________________? __________________________________________________________________? _________________________________________________________________。 ? 4. 上述文章最后提出的尚未解决的问题是什么?? ? ? ? ? ? 二、2012 年 8 月,新浪科技报道了一项重要科技进展: “韩科学家开发新型锂电 池充电速度提升 120 倍” 。报道中称:? 韩国蔚山科技大学的一个科研小组开发出一种充电速度比传统锂电池快 30 到 120 倍的新型锂电池。这个小组相信,可用它为电动汽车制造一个电池组,这 样给汽车充满电需要不到一分钟。? 充电电池的一个主要问题是电池越大,充电时间越长。给一个电池充电时, 总是从外向内充电,所以电池越大,充电时间就越久。通过将大电池分成很小的 数个电池,或许就可以解决这个问题。? 韩国科学家使用阴极材料——标准的锂锰氧化物(LMO),把它浸泡在一种含 有石墨的溶液中。然后,将经石墨浸泡的锂锰氧化物进行碳化处理,石墨就会变 成一个穿越阴极的导电网。这个新阴极接着被电解质和石墨阳极包起来,就制成 了快速充电的锂电池。这些碳化的石墨网十分有效,像血管一样运作,使电池的 每个部分都能同时充电,致使充电速度快了 30 到 120 倍,而电池的能量密度和 循环寿命等因素似乎都没有变化。 ? ? 问题 1:? ? ? ? 问题 2:? ? ? ? 问题 3:? ? ? 上述报道随后引起业内质疑,认为要实现这个目标还需要克服很多问题。请

列出上述快充锂电池进入实用前尚需解决的三个关键问题,并分别进行解释。?

? ? ? 三、2011 年, 《自然?化学》杂志刊登了? “钙钛矿型氧化物催化氧分子还原的催 化剂设计原理” 。报道如下:? ? They?found?that?the?materials’?catalytic?activity?in?reducing?molecular?oxygen?is? strongly? dependent? on? the? level? of? occupancy? of? the? transition? metal’s? eg? electron? orbital.? ? Because? of? various? electron? interactions? between? atoms? of? the? oxide,? this? occupancy?level?can?vary?between?0?and?2.?With?one?electron?in?this?orbital,?catalytic? activity?increased?by?four?orders?of?magnitude?compared?with?oxides?that?have?0?or?2? electrons? in? the? orbital.? An? occupancy? of? less? than? 1? led? to? an? interaction? with? the? incoming?oxygen?that?was?too?strong,?whereas?occupancy?of?greater?than?1?made?it? difficult?for?the?catalyst?to?interact?with?and?adsorb?the?molecule.? ? ? 简单翻译如下:他们发现钙钛矿型氧化物(ABO3,其中 A 为镧系金属,B 为 过渡金属,O 为氧)催化剂的活性严重依赖于过渡金属 eg 轨道的电子占据数。 单电子占据时具有最高催化活性,此时比 0 电子占据或 2 电子占据时高大约 4 个数量级。这是因为,0 电子占据时,过渡金属与氧分子的相互作用过强,而 2 电子占据时,相互作用又会过小。? ? 附:建议的催化反应机理?

? 请从上述信息出发,进一步解释:? ?

1. 为何 eg 轨道为 0 电子占据时,会导致过渡金属与氧相互作用过强?同时,为 何 2 电子占据时,会导致过渡金属与氧的相互作用过小?? ? ? ? ? 2. 为何过渡金属与氧的相互作用不大不小的时候具有最佳催化活性?? ? ? ? ? 3. 根据上述性质,在不改变催化剂组成的情况下,你是否能提出其他方法来提 高该催化剂的催化活性?? ? ? ? ? ? ? ? 四、学过大学化学以及相关文献后,请你就其中某个化学课题提出一个待解决问 题(除本试卷前述各题以外的问题) 。? ? 1. 请提出问题,并说明这个问题的研究意义。? ? ? ? ? ? ? 2. 关于这个问题你所了解的目前大致研究进展情况。? ? ? ? ? ? ?

? 3.? 请谈谈你对这个问题有何初步设想或解决方法。? ? ? ? ? ? ?


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