2025年大学《应用化学》专业题库- 应用化学在环境监测中的作用分析

2025年大学《应用化学》专业题库——应用化学在环境监测中的作用分析考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述应用化学在环境监测中样品采集与保存方面所起的作用，并举例说明化学知识如何保证监测结果的准确性。二、分析原子吸收光谱法（AAS）和电化学分析法在水中重金属监测中的各自作用、原理及主要优缺点。三、以水体持久性有机污染物（POPs）监测为例，论述色谱技术（如GC、HPLC）及其联用技术（如GC-MS、HPLC-MS）在POPs分析中的重要作用。四、解释化学计量学方法（如主成分分析、因子分析）在环境监测数据预处理和污染溯源分析中的应用及其作用原理。五、讨论电化学传感器在实时、在线环境监测（如水质pH、溶解氧、重金属离子）中的优势及其化学原理基础。六、选择一种你熟悉的环境监测项目（例如：空气质量监测、土壤农药残留检测、固体废物成分分析等），详细分析应用化学在其中涉及的关键技术环节，并阐述每项技术的作用及其对最终监测结果的影响。试卷答案一、应用化学在环境监测中样品采集与保存方面起着至关重要的作用，主要体现在利用化学知识选择合适的采样介质、控制样品运输和保存过程中的化学变化，以防止污染物吸附、解吸、挥发、降解或引入干扰，从而保证样品代表性和监测结果的准确性。例如，对于水中重金属的采样，可利用化学沉淀剂调节pH值抑制重金属水解和吸附；使用合适的保存容器（如塑料瓶，避免金属容器溶出干扰）；加入稳定剂或抑制剂（如络合剂、还原剂）防止重金属形态转化或氧化；冷藏保存减缓物理挥发和生物降解。这些措施均基于化学原理，有效维护了样品的原始状态。二、原子吸收光谱法（AAS）和电化学分析法在水中重金属监测中各有侧重。AAS利用空心阴极灯发射待测金属元素的特异性谱线，通过测量基态原子对共振吸收线的吸收强度来确定金属浓度，特点是选择性好、灵敏度较高（尤其对于碱土金属和部分过渡金属），是许多重金属（如Cu,Zn,Cd,Pb,Cr）常规监测的标准方法之一。其作用在于提供准确可靠的重金属定量分析依据。电化学分析法基于金属离子与电极表面发生的电子转移反应，包括伏安法（如极谱法、微分脉冲伏安法）、电化学传感器等。其优点在于仪器相对简单便携、可进行现场快速检测、有时灵敏度更高、且易于实现多参数同时检测。其作用在于提供快速、便捷或低成本的现场监测手段，或用于高灵敏度检测。但AAS通常在实验室进行，分析流程相对复杂；电化学方法的选择性有时受干扰较大，需要仔细优化条件或进行校准。三、色谱技术在POPs监测中扮演核心角色。GC（气相色谱）适用于分析沸点较低的POPs（如多氯联苯PCBs、多环芳烃PAHs），通过分离柱的选择性实现不同POPs组分的分离，检测器（如FID、ECD）则用于定量。HPLC（高效液相色谱）适用于分析沸点高、挥发性差的POPs（如某些农药、多环芳烃），常与紫外-可见检测器（UV-Vis）、荧光检测器或质谱检测器（MS）联用。联用技术是关键，GC-MS通过质谱的选择性离子监测（SIM）或全扫描（Scan）模式，极大地提高了分析的选择性和确认度，能有效区分结构相似或干扰物；HPLC-MS（尤其是LC-MS/MS）则能同时实现POPs的分离和选择性强、灵敏度高的检测，特别适用于复杂基质样品（如土壤、生物体）中痕量POPs的测定。色谱技术的核心作用在于其强大的分离能力，使复杂的环境样品中痕量的POPs得以有效分离，为后续高灵敏度、高选择性的检测器（如MS）提供信号，从而实现痕量POPs的准确测定。四、化学计量学方法在环境监测数据预处理和污染溯源分析中发挥着重要作用。环境监测数据常受到多重共线性、噪声干扰等问题影响，化学计量学方法如主成分分析（PCA）能够通过正交变换将原始高维变量降维，提取代表数据主要变异信息的主成分（PCs），用于识别数据中的异常点、离群值或潜在干扰因素，揭示数据内在的结构和分布规律。因子分析（FA）则进一步假设数据存在潜在因子结构，通过因子载荷矩阵揭示各变量与潜在因子的关系，有助于将复杂的监测数据（如多种污染物浓度）归纳为少数几个有环境意义的主因子（如工业活动、交通排放、农业活动等），从而简化数据解释，揭示主要的污染来源或影响因子。其作用原理在于利用数学变换和统计模型，从看似混乱的数据中提取有用信息，降低数据维度，识别数据结构，发现隐藏模式，最终实现对污染来源的定性和定量溯源，为环境管理和决策提供科学依据。五、电化学传感器在实时、在线环境监测中的优势显著。其核心在于利用电化学原理（如氧化还原反应、离子交换、金属离子与电极表面相互作用等）构建对特定环境参数（如离子浓度、氧化还原电位）具有选择性响应的传感界面。这种传感界面通常由功能材料（如金属、金属氧化物、贵金属纳米材料、导电聚合物、酶、抗体等）构成，能够直接与被测目标物发生快速的电子交换，产生与目标物浓度成特定函数关系的电信号（如电流、电压、电导）。相比传统实验室方法，电化学传感器具有响应速度快、检测时间短（甚至可实现秒级或分钟级响应）、仪器小型化、便携性好、功耗低、成本相对较低、可直接安装在监测现场实现连续实时监测等优点。其化学原理基础在于构建对特定环境化学物质具有选择性识别和信号转换能力的电化学界面，并通过测量相应的电信号来反映环境参数的变化，极大地提高了环境监测的时效性和效率。六、以水体氨氮（NH3-N）监测为例，应用化学涉及多个关键环节。首先，在样品采集环节，需加入化学试剂（如硫酸和碱性物质）调节pH至强碱性（>11），使水中的游离氨（NH3）和铵离子（NH4+）转化为稳定的气态氨（NH3），以防止其在运输过程中挥发损失或因pH变化形态转化，保证样品代表性。其次，在样品预处理环节，可能涉及加入化学试剂去除干扰物质（如浊度、色度），或采用蒸馏/吹脱-反吸收法将氨氮富集到接收液中。再次，在测定环节，常用的纳氏试剂分光光度法是基于氨与纳氏试剂在强碱性条件下反应生成黄绿色的络合物，其颜色深浅与氨氮浓度成正比，通过分光光度计测量特定波长（410-425nm）的吸光度来确定浓度。其化学作用是利用化学反应选择性地将目标物转化为易于测量的形式，并通过比色或电化学等方