2025年大学《资源化学》专业题库- 无机材料的电化学性能研究

2025年大学《资源化学》专业题库——无机材料的电化学性能研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内）1.在电化学体系正极发生还原反应时，电极电势通常（）。A.降低B.升高C.保持不变D.无法确定2.法拉第定律指出，通过电解池的电量与（）成正比。A.电流强度B.电流方向C.通过的物质的量D.电极面积3.循环伏安法（CV）中，当扫描方向从正扫变为负扫时，在扫描过电势范围内出现氧化波和还原波的交点电位称为（）。A.平衡电位B.极限电流电位C.半波电位D.起始电位4.电化学阻抗谱（EIS）中，当研究频率很低时，通常主要测量（）。A.电路的总阻抗B.电极反应电阻C.电容阻抗D.传质阻抗5.对于一个不可逆电极过程，其动力学的控制步骤通常是（）。A.电荷转移步骤B.电极/溶液界面处的双电层充电步骤C.扩散步骤D.化学反应步骤6.在电化学研究中，使用饱和甘汞电极（SCE）作为参比电极时，其电位（）。A.随pH变化而变化B.仅与温度有关C.在一定温度下基本恒定D.需要标定7.某金属在酸性介质中发生析氢腐蚀，其腐蚀电位通常（）其平衡电位。A.高于B.低于C.等于D.无法比较8.线性扫描伏安法（LSV）中，扫描速率增加，峰电位（）。A.向正方向移动B.向负方向移动C.不变D.可能向正或负方向移动9.能斯特方程描述了电极电位与（）之间的关系。A.电流密度B.过电位C.活度（或浓度）D.电极面积10.在电化学阻抗谱中，一个纯电容元件在复平面上的阻抗表示为（）。A.实数B.虚数C.复数D.零二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填在题后的横线上）1.电化学研究的是______过程中电子转移的规律及其应用。2.电极电势是衡量电极______相对大小的一个物理量。3.常用的电化学研究方法包括______、______和______等。4.电极过程动力学研究电极反应的______和______。5.某金属发生吸氧腐蚀时，其腐蚀产物通常是______。6.循环伏安图中，还原波的还原电位总是______对应氧化波的氧化电位。7.电化学阻抗谱中，奈奎斯特图上的半圆弧通常对应______。8.提高电极反应速率的方法包括改变______、______和添加______等。9.在电化学中，描述电极表面电荷变化快慢的参数是______。三、简答题（每题5分，共20分。请简要回答下列问题）1.简述能斯特方程的表达式及其应用意义。2.简述循环伏安法的基本原理及其主要应用。3.简述电化学腐蚀的基本类型及其机理。4.简述电化学阻抗谱的基本原理及其在研究材料性能中的应用。四、计算题（每题8分，共16分。请列出必要的公式和计算步骤）1.在某电化学体系中，已知某电极反应的电子转移数为n=2，法拉第常数为F=96485C/mol，通过电解池的电量为Q=0.5A·s。计算有多少摩尔的电子发生了转移？2.某金属在0.1mol/L的HCl溶液中发生析氢腐蚀，测得阳极极化曲线上的某一电位下，过电位η=0.3V。若标准氢电极电位E°(H⁺/H₂)=0V，计算该电位下H⁺的活度（假设H⁺的活度系数γ=1）。五、论述题（10分。请结合无机材料的特性，论述电化学方法在研究无机材料性能方面的优势和应用实例。）试卷答案一、选择题1.B2.C3.C4.C5.A6.C7.B8.B9.C10.B二、填空题1.化学2.活度（或驱动力）3.循环伏安法，线性扫描伏安法，电化学阻抗谱4.速率，机理5.氢氧化物或氧化物6.低（更负）7.电荷转移过程（或Randles半圆）8.过电位，电极表面状态（如覆盖膜），电极反应抑制剂9.电容时间常数（或弛豫时间常数）三、简答题1.简述能斯特方程的表达式及其应用意义。答案：能斯特方程表达式为：E=E°-(RT/nF)*ln(Q/κ)，或E=E°-(0.05916/n)*log(Q/κ)(在25℃下)。其中，E为电极电位，E°为标准电极电位，R为气体常数，T为绝对温度，n为电极反应电子转移数，F为法拉第常数，Q为反应物和产物的活度（或浓度）的比值，κ为活度系数。其应用意义在于，当电极反应达到平衡时，可以用来计算电极电位；在非平衡状态下，可以用来估算电极电位与反应物、产物浓度之间的关系，预测电极反应的方向和驱动力。解析思路：首先写出能斯特方程的标准形式和简化形式。然后解释方程中各符号的含义。最后阐述该方程的主要应用，即计算平衡电位或预测非平衡状态下的电位变化及其驱动力。2.简述循环伏安法的基本原理及其主要应用。答案：循环伏安法的基本原理是在电极电位以一定速率扫描（通常是三角波）的过程中，同时测量电极电位和通过电极的电流。正扫时，施加的电位逐渐变正（或变负），驱动发生氧化（或还原）反应；当电位扫描到足够正（或负）时，反应开始，电流出现氧化波（或还原波）。负扫时，电位逐渐变负（或变正），如果发生氧化反应的产物可以还原，则发生还原反应，产生还原波。通过分析循环伏安曲线的形状、位置、峰高等特征，可以获得关于电极过程动力学、反应机理、电极表面状态、吸附等信息。主要应用包括研究电化学活性物质的性质、确定反应机理、检测痕量物质、研究电化学修饰电极、电化学合成等。解析思路：首先描述CV实验的基本操作（电位扫描和电流测量）。然后解释正扫和负扫过程中电流出现的原因（氧化/还原反应的发生）。接着说明通过分析CV曲线特征可以获得的信息（动力学、机理、表面状态等）。最后列举CV的主要应用领域。3.简述电化学腐蚀的基本类型及其机理。答案：电化学腐蚀通常分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀两大类。析氢腐蚀发生在酸性或强碱性介质中，阳极金属失去电子被氧化，同时溶液中的氢离子得到电子生成氢气。其基本反应为：M-ne⁻=Mⁿ⁺(阳极，金属氧化)，2H⁺+2e⁻=H₂↑(阴极，析氢)。吸氧腐蚀发生在弱酸性、中性或碱性介质中，阳极金属失去电子被氧化，同时溶液中的溶解氧得到电子生成氢氧根离子或水。其基本反应为：M-ne⁻=Mⁿ⁺(阳极，金属氧化)，O₂+2H₂O+4e⁻=4OH⁻(阴极，吸氧)。腐蚀机理通常涉及金属表面活化、电荷转移、离子迁移和腐蚀产物形成等步骤。解析思路：首先分类电化学腐蚀。然后分别详细说明析氢腐蚀和吸氧腐蚀的阴极和阳极反应。最后简述电化学腐蚀的一般机理步骤。4.简述电化学阻抗谱的基本原理及其在研究材料性能中的应用。答案：电化学阻抗谱（EIS）的基本原理是测量电化学体系在正弦交流小信号激励下的电响应（电压或电流），并绘制频率（或阻抗模量）与相位角（或阻抗实部/虚部）的关系图（通常是奈奎斯特图）。体系对交流信号的响应相当于一个等效电路，通过拟合实验数据到相应的等效电路模型，可以得到电路中各元件的参数（如电阻、电容、Warburg阻抗等），这些参数与电极过程的不同环节（如电荷转移、双电层充电、扩散、吸附等）密切相关。EIS在研究材料性能方面有广泛应用，例如：评价金属和合金的腐蚀电阻和腐蚀速率，研究电化学催化剂的活性、选择性和稳定性，分析电池的电极过程动力学和内部阻抗，研究电化学传感器的响应机制等。解析思路：首先解释EIS的测量方法（小信号交流激励，测量响应）。然后说明实验结果通常以奈奎斯特图表示。接着指出通过拟合可以得到等效电路参数。最后强调这些参数与电极过程环节的联系，并列举EIS在材料研究（腐蚀、催化、电池等）中的具体应用实例。四、计算题1.在某电化学体系中，已知某电极反应的电子转移数为n=2，法拉第常数为F=96485C/mol，通过电解池的电量为Q=0.5A·s。计算有多少摩尔的电子发生了转移？答案：根据法拉第定律，电量Q（库仑）与转移的电子摩尔数n（mol）的关系为：Q=nF。因此，n=Q/F=0.5C/96485C/mol≈5.18×10⁻⁶mol。解析思路：直接应用法拉第定律的基本公式Q=nF，其中Q是已知的电量（0.5A·s=0.5C），F是法拉第常数，n是要求的电子转移数。将数值代入公式计算即可。2.某金属在0.1mol/L的HCl溶液中发生析氢腐蚀，测得阳极极化曲线上的某一电位下，过电位η=0.3V。若标准氢电极电位E°(H⁺/H₂)=0V，计算该电位下H⁺的活度（假设H⁺的活度系数γ=1）。答案：根据过电位的定义，η=E₁-E°(H⁺/H₂)，其中E₁是测得的电位。因此，E₁=η+E°(H⁺/H₂)=0.3V+0V=0.3V。根据能斯特方程，电极电位E与反应物活度的关系为：E=E°-(0.05916/n)*log(a_H⁺)，对于析氢反应，n=2。所以，0.3V=0V-(0.05916/2)*log(a_H⁺)。解得log(a_H⁺)=-(0