2025年大学《应用化学》专业题库- 应用化学在染料生产中的应用情况

2025年大学《应用化学》专业题库——应用化学在染料生产中的应用情况考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（请将正确选项的字母填在括号内）1.下列哪种化合物通常不作为偶氮染料合成的关键中间体？A.重氮盐B.苯胺C.酚类化合物D.芳香伯胺2.在还原染料的制备过程中，通常使用哪种物质作为还原剂？A.高锰酸钾B.硫酸钠C.硫化钠D.氢气3.磺化反应在染料生产中具有重要意义，下列哪种物质是常用的磺化剂？A.浓硫酸B.硝酸C.高锰酸钾D.氢氧化钠4.对于液相反应，提高反应物浓度通常会如何影响反应速率？A.降低B.不变C.提高D.不确定5.在染料生产工艺中，选择溶剂时通常优先考虑的因素不包括：A.溶解性好B.价格低廉C.环保安全D.粘度低6.下列哪种染料类型主要用于纺织品染色，且具有较好的湿牢度？A.分散染料B.活性染料C.还原染料D.阳离子染料7.原子经济性是评价化学反应绿色程度的重要指标，下列哪种反应通常具有较高的原子经济性？A.加成反应B.重排反应C.去除反应D.酯化反应8.在染料生产过程中，产生废水的主要原因不包括：A.原料未完全反应B.反应副产物生成C.设备清洗D.空气冷却9.下列哪种催化剂常用于偶氮染料的偶合阶段？A.铁离子B.铜离子C.锌离子D.碱性物质10.酞菁染料是一类重要的有机颜料，其结构特点不包括：A.由四个苯环构成B.苯环之间通过次甲基桥连接C.含有氮原子D.结构高度对称二、填空题（请将答案填在横线上）1.染料在溶液中表现出颜色，主要是由于分子吸收了可见光区域的______。2.偶氮染料的通式通常为______，其颜色主要由______决定。3.影响染料合成反应速率的主要因素包括______、______和______。4.磺化反应是染料分子引入______官能团的过程，常用的磺化基团有______和______。5.染料的牢度包括______、______、______等多种类型。6.为了减少染料生产对环境的影响，应遵循______和______原则。7.分散染料的分子结构通常较小，且不溶于水，主要用于______织物的染色。8.活性染料在染色时能与纤维发生______结合，因此具有较好的______。9.化学平衡常数K可以用来判断反应在______条件下进行的倾向。10.常用的染料中间体苯胺可以通过苯的______反应制得。三、名词解释（请给出下列名词的简要定义）1.还原染料2.酞菁染料3.原子经济性4.染料牢度5.重氮化反应四、简答题（请简要回答下列问题）1.简述偶氮染料合成的一般步骤和关键反应条件。2.比较分散染料和活性染料在应用领域和染色方法上的主要区别。3.影响染料合成产率和产品质量的主要因素有哪些？请分别说明。4.简述染料生产过程中废水处理的重要性及常用的处理方法类型。5.解释什么是绿色化学，并列举至少三种在染料合成中可以应用的绿色化学理念或技术。五、论述题（请就下列问题进行较为详细的论述）1.选择一种你熟悉的染料（如偶氮染料、还原染料或活性染料），详细描述其合成路线，并分析影响该合成工艺的关键因素及优化方向。2.随着环保要求的提高，传统染料生产工艺面临着哪些挑战？请探讨如何通过应用化学原理和技术对现有工艺进行绿色化改造，并分析其可行性和潜在效益。试卷答案一、选择题1.D2.C3.A4.C5.D6.B7.A8.D9.D10.B二、填空题1.特定波长的光2.Ar-N=N-Ar;偶合组分（或Aromaticgroupsofthediazocomponentandcouplingcomponent）3.浓度;温度;催化剂4.磺酸基(-SO₃H);羧基(-COOH);(或磺酰基-SO₂)5.耐光性;耐热性;耐摩擦性6.原子经济性;可持续发展7.纤维素纤维(或棉、麻、粘胶等)8.共价键;湿牢度9.平衡;(或Equilibrium)10.硝化;(或Nitration)三、名词解释1.还原染料：一类结构比较复杂、不溶于水、需在碱性介质中用还原剂还原成隐色酸钠后才能上染纤维，然后在织物上再氧化恢复原色，具有鲜艳色泽和良好牢度的染料。2.酞菁染料：一类由四个苯环通过次甲基桥连接而成，具有高度共轭体系的、具有金属光泽的、颜色鲜艳的有机金属或非金属颜料。3.原子经济性：指在化学反应中，有多少百分比的原料原子转化成了期望的产物。它是衡量化学反应副产物多少以及原子利用率的指标。4.染料牢度：指染料在染色后，在规定条件下使用或处理时，保持其色泽原貌的能力。主要包括耐光、耐热、耐摩擦、耐汗渍、耐洗涤等。5.重氮化反应：指芳伯胺在强酸性条件下与亚硝酸钠反应，生成重氮盐的反应。四、简答题1.偶氮染料合成的一般步骤包括：①重氮组分（通常是芳伯胺）的制备，通常在冰盐浴等低温条件下，用亚硝酸钠与强酸（如硫酸）反应生成重氮盐；②偶合组分（通常是含有活性亚甲基的化合物，如苯胺、酚类等）的准备；③在适宜的pH条件和温度下，将重氮盐溶液与偶合组分溶液进行偶合反应，生成偶氮染料。关键反应条件包括：重氮化阶段需严格控制低温（0-5℃）、酸度（H⁺浓度）和反应时间，以获得稳定的重氮盐；偶合阶段需根据偶合组分选择合适的pH（通常为弱碱性）和温度（通常为室温或稍高），以促进反应进行并得到色泽鲜艳的产物。2.分散染料主要用于涤纶等合成纤维的染色，其分子结构小，不溶于水，需借助载体或高温高压等条件将染料引入纤维内部，染色后通常需要进行热定形以固色。染色方法主要有载体染色、高温高压染色等。活性染料主要用于棉、麻、粘胶等纤维素纤维的染色，其分子结构中含有能与纤维发生共价键结合的活性基团（如磺酸基、乙烯基醚基等），在碱性条件下与纤维发生反应，因此具有较好的湿牢度。染色方法通常在常压沸染条件下进行，工艺相对简单。两者的主要区别在于应用纤维类型、染料结构与性质、染色方法、以及染料与纤维的结合方式（分散染料为物理吸附或嵌入，活性染料为化学共价键）。3.影响染料合成产率的主要因素包括：①反应物浓度：浓度过低会导致反应速率慢，转化率低；浓度过高可能引起副反应。②温度：温度影响反应速率和化学平衡，过高可能导致副产物生成或导致产物分解，过低则反应速率慢。③催化剂：催化剂可以改变反应路径，加快反应速率，提高选择性。④反应时间：时间不足导致反应不完全，时间过长可能产生副产物。⑤pH值：对于许多反应，特别是涉及胺、酸或酶的反应，pH值对反应速率和选择性有重要影响。⑥反应物纯度：杂质可能参与副反应，降低主产物产率。⑦分离提纯效率：后处理过程可能造成产物损失。影响产品质量的主要因素包括：①产物的纯度：杂质可能导致颜色不纯、色光偏差、或影响牢度。②产物的结构：合成目标产物结构是否正确、是否存在异构体。③产品的物理形态：如粒度、晶型、色泽等。④产品的安全性：是否符合环保和法规要求。4.染料生产过程中产生大量废水，含有染料分子、中间体、助剂、酸碱等，直接排放会严重污染水体，破坏生态环境，危害人类健康。因此，废水处理至关重要。常用的处理方法类型包括：①物理法：如吸附法（活性炭吸附、树脂吸附）、膜分离法（微滤、超滤、纳滤）、萃取法等，主要用于去除色度、悬浮物或特定污染物。②化学法：如混凝沉淀法（利用混凝剂使染料分子聚集成絮体沉淀）、氧化还原法（如Fenton氧化法、臭氧氧化法，用于降解难降解有机物）、电解法等。③生物法：如活性污泥法、生物膜法等，主要用于处理可生物降解的有机污染物。④联合法：通常将多种方法结合使用，如吸附-生化法、混凝-氧化法等，以提高处理效率和降低成本。5.绿色化学是一门旨在从源头上减少或消除化学产品的设计、制造和应用中对人类健康和环境有害物质的学科。在染料合成中可以应用的绿色化学理念或技术包括：①避免使用或减少使用有毒有害原料：如选用更安全的芳烃、避免使用有毒的硝化或重氮化试剂。②设计合成路线，提高原子经济性：尽可能使原料原子全部转化到目标产物中，减少副产物生成。③开发使用可再生的原料：如利用生物基原料。④使用高效、低毒的催化剂：如光催化剂、酶催化剂，并实现催化剂的循环使用。⑤尽可能使用水作溶剂：开发无溶剂或少溶剂的染色工艺（如超临界流体染色）。⑥设计可降解的染料分子结构：减少染料在环境中的持久性。⑦在反应介质中或最终产品中引入易于去除的基团，以便于后续分离和回收。⑧原子经济性高的加成反应通常副产物少，符合绿色化学要求。五、论述题1.（以偶氮染料为例）偶氮染料合成路线：以对氨基苯磺酸为偶合组分，邻硝基苯胺为重氮组分为例，合成路线如下：①邻硝基苯胺在冰盐浴（0-5℃）和硫酸介质中，与亚硝酸钠反应生成重氮盐（NaNO₂+H₂SO₄+Ar-NH₂→Ar-N₂⁺+SO₄²⁻+H₂O）；②将生成的重氮盐溶液与对氨基苯磺酸在弱碱性条件下（如碳酸钠溶液调节pH至8-9）进行偶合反应，生成偶氮染料（Ar-N₂⁺+H₂O+Ar-NH₂→Ar-N=N-Ar+2H⁺+Na⁺）。影响该合成工艺的关键因素及优化方向：①重氮化阶段：低温是关键，过高温度易导致重氮盐分解；酸度需精确控制，过强酸可能生成稳定性差的反式重氮盐；反应时间需足够长以保证转化率。优化方向：优化冷却系统以保证持续低温；精确控制酸度；开发更稳定、反应速率更快或选择性更高的重氮化体系。②偶合阶段：pH值对反应速率和产物色光影响显著，需精确控制；温度需适宜，过高可能导致副反应（如羟胺的生成）；反应物浓度和滴加速度需优化。优化方向：开发pH自动控制系统；选择更温和的反应介质；优化反应器设计，提高传质效率；开发高效偶合催化剂。2.传统染料生产工艺面临的挑战：①产生大量废水、废气、废渣（“三废”），含有大量有机污染物、重金属离子等，对环境造成严重污染。②许多合成路线原子经济性低，产生大量副产物，原料浪费严重。③使用大量有毒有害的化学试剂（如强酸、强碱、重金属盐催化剂、硝化剂、重氮化剂等），对工人健康和环境影响大。④能耗较高，特别是高温高压染色和合成过程。⑤部分染料结构不稳定，易分解或产生致癌、致畸、致突变的芳香胺等有害物质。应对挑战的绿色化改造思路及分析：①开发原子经济性高的合成路线：例如，利用偶联反应、环加成反应等一步法合成复杂结构，减少中间体积累和分离过程。②使用环境友好的催化剂：如光催化、电催化、生物酶催化等替代传统重金属催化剂。③采用无溶剂或少溶剂工艺：如相转移催化、微乳液催化、超临界流体染色等。④使用可再生生物质原料：如利用发酵产物替代苯酚等。⑤开发高效、低毒的合成试剂：如开发新型亚硝化剂、磺化剂等。⑥设计易生物降解的染料分子结构。