2025年大学《化学》专业题库- 化学能源转化与资源综合利用

2025年大学《化学》专业题库——化学能源转化与资源综合利用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（请将正确选项的字母填入括号内，每小题2分，共20分）1.下列物质中，不属于传统化石燃料的是（）。A.煤B.石油C.天然气D.生物质能2.判断一个化学反应能否自发进行，主要依据是（）。A.反应速率的大小B.活化能的高低C.吉布斯自由能变（ΔG）D.反应热（ΔH）3.在原电池中，发生还原反应的电极是（）。A.正极B.负极C.盐桥连接的电极D.以上都不是4.燃料电池相比普通电池的主要优点之一是（）。A.能量密度低B.需要频繁更换燃料C.产物通常是水和/或二氧化碳，较为清洁D.结构复杂，成本高5.下列关于锂电池的叙述，错误的是（）。A.锂电池属于二次电池B.锂电池的能量密度通常较高C.锂电池的正极材料通常是二氧化锰D.锂金属作为负极材料，具有低电势和低密度6.工业上，将二氧化硫转化为三氧化硫常用的催化剂是（）。A.氧化铁B.氧化铜C.催化铁D.五氧化二钒7.下列过程不属于物质循环利用范畴的是（）。A.废纸回收再生B.废旧塑料化学降解制备单体C.工业废水处理达标后排放D.废钢回炉重炼8.“原子经济性”是绿色化学的重要原则之一，它主要强调的是（）。A.反应速率要快B.产物应易于分离提纯C.反应物尽可能多地转化到目标产物中D.反应条件要温和9.人工光合作用旨在模拟自然光合作用，其主要目标之一是（）。A.制造氧气B.将太阳能直接转化为电能C.利用太阳能驱动水分解制氢D.将二氧化碳转化为有机物10.CO2捕集、利用与封存（CCUS）技术中，“利用”环节的主要目的之一是（）。A.降低CO2的溶解度B.减少对大气环境的排放C.将CO2转化为高附加值化学品或燃料D.提高CO2在地下的储存压力二、填空题（请将答案填入横线上，每空2分，共20分）1.化石燃料的燃烧反应通常属于______反应（填“放热”或“吸热”），其产物如CO2的大量排放是导致______的主要原因之一。2.在电化学装置中，电子由______极通过外电路流向______极。3.燃料电池中，质子交换膜（PEM）燃料电池允许质子（H+）通过，而阻止______通过。4.生物质能是一种______能源，其利用方式包括直接燃烧、气化、液化等。5.化学沉淀法是处理含重金属离子废水的一种常用方法，其原理是利用沉淀剂与重金属离子反应生成______沉淀物，从而实现分离。6.绿色化学十二原则中，关于溶剂和催化剂的原则要求选用______或______的溶剂和催化剂。7.光伏电池是将______能直接转化为______能的装置，其核心部分是______。8.工业上通过______工艺可以将含硫化石燃料燃烧产生的烟气中的SO2转化为石膏。三、简答题（请简要回答下列问题，每小题5分，共20分）1.简述原电池的工作原理，并写出锌铜原电池的电极反应式。2.与普通干电池相比，简述燃料电池的主要特点和优势。3.简述化学水处理方法在工业废水处理中的应用，并举例说明一种常见的混凝剂及其作用原理。4.解释什么是“碳中和技术”，并列举两种具体的碳中和技术实例。四、计算题（请列出计算步骤并给出结果，每小题10分，共20分）1.已知在25℃时，反应2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)的ΔH=-571.6kJ/mol，ΔS=-89.0J/(mol·K)。计算该反应在25℃时的标准吉布斯自由能变ΔG°，并判断在此条件下反应是否能够自发进行。2.某氢氧燃料电池中，外电路每通过2法拉第的电荷量，理论上正极消耗标况下多少体积的氧气？（请写出计算过程和结果）。五、论述题（请结合所学知识，全面阐述下列问题，共20分）结合化学原理和绿色化学理念，论述化学在实现能源结构转型和资源循环利用方面可以发挥的作用，并分析当前面临的主要挑战及可能的解决方案。试卷答案一、选择题1.D2.C3.A4.C5.C6.D7.C8.C9.C10.C二、填空题1.放热；温室效应2.负；正3.电子4.可再生5.不溶性6.无毒；无害7.光；电；太阳能电池（或光伏电池）8.硫酸化三、简答题1.原电池是将化学能直接转化为电能的装置。它由两个不同材料的电极浸入电解质溶液中构成，两电极间通过外电路连接。其中，较活泼的电极（如锌片）作为负极，发生氧化反应，失去电子；较不活泼的电极（如铜片）作为正极，发生还原反应，得到电子。电子通过外电路从负极流向正极，形成电流。在锌铜原电池中，负极（锌片）反应为：Zn-2e⁻=Zn²⁺；正极（铜片）反应为：2H⁺+2e⁻=H₂↑。（注：若电解质为碱性，正极反应为O₂+4H₂O+4e⁻=4OH⁻）2.特点：燃料电池是一种能量转换装置，它直接将燃料的化学能转化为电能，中间过程不经过热能。优势：能量转化效率高（通常可达60%以上，远高于传统热力循环）；燃料选择灵活，可以是氢气、天然气、甲醇等；环境友好，产物通常是水（燃料含氢时）或二氧化碳（燃料含碳时），几乎无污染；功率密度高。3.化学水处理方法利用化学反应的原理去除或转化水中的污染物。在工业废水处理中应用广泛，例如：混凝沉淀法，通过投加混凝剂（如硫酸铝、聚合氯化铝、聚丙烯酰胺等），使水中的悬浮物、胶体颗粒脱稳、聚结形成较大的絮体，然后通过沉淀或浮上被去除。混凝剂的作用原理主要是通过电性中和、吸附架桥等作用破坏颗粒表面的双电层，降低ζ电位，促进颗粒聚集。4.碳中和技术是指通过人为手段将大气中或工业排放中的二氧化碳捕获、封存或利用，从而减少温室气体排放的技术总称。目的是实现二氧化碳的零排放或负排放。实例：碳捕获与封存（CCS），将发电厂或工业设施排放的二氧化碳捕集起来，通过管道运输到地质构造（如咸水层、枯竭油气藏）中进行长期封存；碳捕获、利用与封存（CCUS），将捕集到的二氧化碳用于生产化工产品（如甲醇、尿素）、燃料（如合成天然气）或直接用于强化采油（EOR）等，部分产品在使用后仍可能最终被封存。四、计算题1.计算ΔG°：ΔG°=ΔH-TΔS=(-571.6kJ/mol)-(298K)*(-89.0J/(mol·K))*(1kJ/1000J)=-571.6kJ/mol+26.5kJ/mol=-545.1kJ/mol。判断：ΔG°<0，说明该反应在25℃时能够自发进行。2.计算氧气体积：根据法拉第定律，1法拉第电量（96485C）能转移2摩尔电子。2法拉第电量为2*96485C=192970C。氧气在反应中得电子：O₂+4e⁻=2O²⁻。每摩尔O₂得4摩尔电子。192970C能转移的电子摩尔数为192970C/(4*96485C/mol)=0.5mol电子。根据反应，0.5mol电子对应0.5/4=0.125molO₂。标况下，1mol气体体积为22.4L。0.125molO₂的体积为0.125mol*22.4L/mol=2.8L。答案为2.8L。五、论述题化学在实现能源结构转型和资源循环利用方面发挥着核心作用。在能源结构转型方面，化学通过开发高效、清洁的能源转化技术助力实现能源多样化。例如，在化学电源领域，化学家们致力于研发更高能量密度、更长循环寿命、更高安全性、成本更低的电池（如锂离子电池、固态电池、钠离子电池等）和燃料电池（如质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池等），以满足电动汽车、便携式电子设备和大规模储能的需求。在太阳能利用方面，化学合成与材料科学紧密交叉，推动了高效太阳能电池（如钙钛矿太阳能电池）的开发，以及利用太阳能驱动化学反应（如水分解制氢、CO2还原制燃料）的人工光合作用研究。在传统能源利用与转型衔接方面，化学化工过程对于化石燃料的清洁高效利用（如催化裂化、重整、碳捕集与封存CCS）以及向替代燃料（如生物燃料、合成燃料）的转化至关重要。在资源循环利用方面，化学是废弃物资源化的关键。化学水处理技术能有效去除工业废水和生活污水中的污染物，实现水的再生回用。化学沉淀、吸附、膜分离等技术可用于处理含重金属、含磷等特定污染物的废水。化学方法（如高温焚烧、化学浸出、溶剂萃取）用于处理固体废弃物（如电子垃圾、工业污泥、危险废物），实现危险物的无害化和有价资源的回收（如金属、玻璃、塑料）。化学合成与催化技术使得废旧塑料可以化学降解为单体或原料，废旧电池中的锂、钴等金属可以高效提取。绿色化学理念贯穿于能源转化与资源利用的各个环节，指导着开发环境友好、原子经济性高、能效高的化学过程，从源头上减少污染，促进可持续发展。面临的挑战包括：部分可再生能源（如太阳能、风能）的间歇性和波动性对储能技术提出了更高要求，需要开发更廉价、更高效的储能材料和系统；CO2捕集、利用与封存（CCUS）技术的成本和规模化应用仍面临