2025年大学《化学》专业题库- 聚电解质材料的制备与性能研究

2025年大学《化学》专业题库——聚电解质材料的制备与性能研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内）1.下列哪一种聚合物在水溶液中由于链段间静电排斥而表现出独特的溶胶-凝胶转变行为？A.聚乙烯B.聚苯乙烯C.聚丙烯酰胺D.聚四氟乙烯2.在聚电解质溶液中，当pH值接近聚电解质质子化（或去质子化）的pKa时，其溶液的粘度通常会发生怎样的变化？A.急剧下降B.缓慢上升C.急剧上升D.基本不变3.对于通过自由基聚合制备的水溶性聚电解质，下列哪种引发剂体系通常更适用于酸性或碱性水溶液？A.AIBN（偶氮二异丁腈）B.BPO（过氧化苯甲酰）C.RPO（过氧化羧酯）D.I2（碘）4.交联是提高聚电解质膜力学性能的常用方法，但过度交联可能导致什么不良后果？A.离子电导率显著提高B.膜的选择性下降C.膜的溶胀性降低D.膜的化学稳定性变差5.在电渗析过程中，利用聚电解质膜的选择性离子透过性来实现离子分离，下列哪种膜通常用作阴离子交换膜？A.含有强酸性基团（如磺酸基-SO3H）的聚合物B.含有强碱性基团（如季铵基-N+(CH3)3X-）的聚合物C.含有弱酸性基团（如羧基-COOH）的聚合物D.含有弱碱性基团（如胺基-NH2）的聚合物6.层层自组装（LLA）技术制备聚电解质膜通常涉及交替吸附两种带相反电荷的聚电解质，该过程的关键驱动力是：A.氢键形成B.范德华力C.静电相互作用D.熵增7.对于用于海水淡化的聚电解质膜，最重要的性能指标通常是：A.机械强度B.光学透明度C.水通量与盐阻隔率的平衡D.热稳定性8.测定聚电解质水溶液粘度并计算其粘均分子量时，通常需要使用哪种类型的粘度计？A.旋光仪B.分光光度计C.乌氏粘度计或落球粘度计D.电位计9.聚电解质在水溶液中的电荷密度对其性能有重要影响，电荷密度越高通常意味着：A.膜的离子电导率越低B.膜的溶胀程度越小C.膜对特定离子的选择性越高D.膜的机械强度越差10.下列哪种方法不常用于表征聚电解质膜的电学性能？A.电导率测量B.膜电位测定C.X射线衍射分析D.交流阻抗谱二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.聚电解质是指在水溶液中能发生________或________而带有电荷的大分子化合物。2.影响聚电解质溶液粘度的主要因素包括分子量、_______、_______和温度。3.制备水凝胶型聚电解质膜常用的方法有_______法和_______法。4.聚电解质膜的选择性是指其对_______离子的透过能力与其对_______离子的透过能力的比值。5.离子交联是另一种提高聚电解质膜性能的方法，其交联键合通常发生在_______之间。三、简答题（每小题5分，共15分）1.简述聚电解质在水溶液中表现出高粘度的原因。2.比较自由基聚合和离子聚合在制备聚电解质方面的主要区别。3.解释什么是聚电解质的溶胶-凝胶转变，并简述其影响因素。四、论述题（每小题10分，共20分）1.论述制备条件（如单体选择、引发剂浓度、反应温度、pH值等）对聚丙烯酰胺水凝胶性能（如溶胀度、离子电导率、力学强度）的影响。2.以聚电解质膜用于电渗析海水淡化为例，论述其制备工艺、关键性能要求以及面临的挑战。五、计算题（10分）已知某强酸型聚苯乙烯磺酸盐（-SO3H）水溶液在25℃下，当浓度为0.1mol/L时，相对粘度ηsp/η0=1.8，当浓度为0.01mol/L时，相对粘度ηsp/η0=1.1。试计算该聚电解质的特性粘数[η]。（假设符合理想高分子稀溶液粘度方程：ηsp/η0=1+[η]c）试卷答案一、选择题1.C2.C3.C4.B5.A6.C7.C8.C9.C10.C二、填空题1.质子化，去质子化2.浓度，离子强度3.原位聚合法，浸渍-溶胀法4.优先透过，难以透过（或选择性透过，难以透过）5.阳离子，阴离子（或单体分子链段，单体分子链段）三、简答题1.解析思路：聚电解质分子链上存在大量离子izable基团，在溶液中部分或全部解离成带电的离子。这些带电基团之间存在着强烈的静电排斥作用，使得链段扩展，溶液粘度增大。此外，离子基团与水分子之间的水合作用也贡献于粘度。2.解析思路：自由基聚合通常在有机溶剂中进行，使用有机过氧化物等引发剂，速率快，易控制；离子聚合可在水或非水溶剂中进行，使用离子型引发剂，速率通常较慢，对反应条件要求苛刻，但可能得到结构规整、分子量分布窄的聚合物。制备聚电解质时，离子聚合可能更适合某些水溶性单体。3.解析思路：溶胶-凝胶转变是指聚电解质溶液在特定条件下（如pH、溶剂evaporationrate等）从不溶胀的澄清溶液转变为溶胀凝胶状或凝胶化状态的现象。其影响因素主要包括：聚电解质的电荷密度、溶液的离子强度、pH值（影响质子化/去质子化程度）、溶剂种类与浓度、温度等。当条件变化导致聚电解质链间静电斥力与链段-溶剂、溶剂-溶剂相互作用失衡时，会发生相变。四、论述题1.解析思路：制备条件对聚丙烯酰胺水凝胶性能影响显著。单体浓度影响交联密度和凝胶网络结构：浓度高则交联密，溶胀度低，力学强度高，离子电导率可能因离子自由移动空间减小而降低。引发剂浓度影响交联度：浓度高则交联密，反之则交联松。反应温度影响聚合速率和网络结构：温度高则速率快，可能影响交联均匀性，影响最终性能。pH值至关重要：对于聚丙烯酰胺，其离子化程度受pH影响。在pKa附近，离子化程度变化大，显著影响静电斥力、溶胀度、离子电导率和网络结构，进而影响力学强度。溶剂种类影响溶胀环境和最终凝胶性质。2.解析思路：制备工艺方面，需选择合适的带电荷单体（如二乙烯基苯磺酸钠/季铵盐），通过自由基聚合形成交联网络，并引入亲水性基团。可采用浸渍-溶胀法或原位聚合法制备膜。关键性能要求包括：高离子电导率（利于离子传输）、高选择透过性（对Na+/Cl-选择性高，截留其他离子）、良好的机械强度（耐操作和长期运行）、化学稳定性（耐海水腐蚀）、抗生物污损性等。面临的挑战有：平衡水通量与盐阻隔率；提高膜的选择性；降低成本；提高膜的长期稳定性和抗污能力；优化膜结构与性能的关系。五、计算题解析思路：利用粘度数据计算特性粘数[η]。首先，根据稀溶液粘度方程ηsp/η0=1+[η]c，分别对两个浓度下的数据求解[η]：对于c₁=0.1mol/L,ηsp/η0=1.8:1.8=1+[η]*0.1=>[η]=(1.8-1)/0.1=8.0L/g。对于c₂=0.01mol/L,ηsp/η0=