中国矿业大学(北京)现代化学2013(博士)期末考试真题及其答案

中国矿业大学（北京）2013年《现代化学》考试题一、简答题（每题5分，共50分）1、以C60为例，谈谈富勒烯的结构特点。

富勒烯(Fullerene)是20世纪80年代发现的一类新型球状分子。

是由碳原子组成的一系列球形分子的总称，是碳的第三种同素异形体。

富勒烯中的每个碳原子与相邻三个碳原子相连形成a单键，剩余P轨道在球壳外围和内腔形成球面离域大兀键，相当于一种封闭而中空的稠环芳香碳素体。

在富勒烯中，只有五元环和六元环两种碳环，根据欧拉公式可知，五元环的数目固定为12个，而六元环的数目n可以用如下公式计算:n=N/2一10,其中N为碳原子数。

.Kroto认为C60可能具有类似的球形结构，在结构上达到稳定.该设想经过研究人员的进一步研究，提出了C60分子为封闭的笼状结构假设.即C60为60个碳原子组成的球形32面体，其中有12个五边形面和20个六边形面，60个顶点分别由60个碳原子占据，与足球结构类似，所以也称之为“足球烯，" ( Footballene) . C60等不含氢原子但有不少双键，按有机化学习惯称作烯.由于这类分子不属于烃，而命名却用烯，人们不太容易接受，所以习惯上人们称之为“巴基”. C60分子点群为I h，具有五重对称性，分子中60个碳原子完全等价.由于球而弯曲效应和五元环的存在，碳原子的杂化方式介于石墨晶体中、sp2和金刚石中sp3杂化之间.2、简述碳纳米管的结构特征。

碳是自然界性质独特的兀素之一，它可以通过Sp3杂化或Sp2杂化，分别形成近乎各向同性的金刚石结构或各向异性的六角网格石墨层状结构。

石墨层面内碳原子以SP2杂化轨道电子形成的σ键及2P Z轨道电子形成的π键相联结，形成牢固的六角环网状结构，而层间则以微弱的范德华力(Van der Waals force)相结合。

层面内与层间键合力的巨大差异，导致石墨晶体结构遭到破坏时，总是碎化为微小尺度的片状微晶。

当石墨微晶的尺寸很小(介观层次，1nm}-1 00nm)时，由于微晶中只有数目有限的碳原子，石墨层边缘具有悬挂键的碳原子的相对密度很大，此时，为了使系统能量达到最低，这些具有悬挂键的碳原子就会相互结合成键，从而使石墨平面弯曲封闭形成闭合的壳层结构一一富勒烯和碳纳米管。

3、简述导电高分子的类型。

以一种为例，简述其应用前景。

导电高分子是指经化学或电化学掺杂后可以由绝缘体向导体或半导体转变的含π电子共轭结构的有机高分子的统称。

以聚苯胺为例，聚苯胺有许多优异的性能，如导电性、氧化还原性、催化性能、电致变色行为、质子交换性质及光电性质等，而最重要的是聚苯胺材料的优异的导电性及电化学性能。

将聚苯胺进行参杂，及其各种材料进行混用表现山更多的优异性，作为纳米传感器和纳米器件等。

聚苯胺在国防上业中的应用在国防中的应用主要是作为电磁屏蔽、微波吸收材料和塑料电池。

聚苯胺导电纤维的应用聚苯胺制各导电纤维，不仅导电性优良持久，而且通过改变掺杂酸的浓度，很容易调节纤维的电导率这是其它纤维所小具各的优良性质。

聚苯胺在金属防腐领域应用聚苯胺防腐涂料是一种新型的涂料，不光具有防腐的性能而且更加环保。

应用聚苯胺还是一种良好的防污材料，以它为主剂的防污涂料不仅能防除藤壶等海生物，还能刘海生物的前期附着物粘泥有防除作用，达到长效防污的目的，而且其不含氧化亚铜和有机锡等物质是新一代无毒防污涂料。

4、简述环糊精的结构特点。

答：β一环糊精(简称β- CD分子外形呈截锥状，分子中每个葡萄糖单元采取未扭曲椅式构象，作为毗喃葡萄糖单元“4C1构象结果，β一环糊精分子中所有伯轻基均座落于环的一侧，即葡萄糖单元6位羟基构成环糊精截锥状结构主面(较窄端)，而所有仲羟基座落于环的另一侧，即2位和3位羟基构成环糊精截锥状结构次面(较阔面)。

环糊精内壁由指向空腔C1和C5上的氢原子及糖苷键氧原子构成，使其空腔内部有较高电子云密度，表现出一定疏水性;环糊精次面仲羟基则使其大口端和外壁表现为亲水性。

5、何谓超分子化学？超分子与普通分子有何区别？答：以共价键为基础，以分子为研究对象的化学，可称为分子化学(molecular chemistry);以多种弱相互作用力(或称次级键)为基础，以2个以上分子通过这种弱相互作用高层次组装为研究对象的化学，可定义为“超越分子概念的化学”，也称为超分子化学(supermolecular chemistry)。

与原子间由化学键作用而形成分子的分子化学不同，超分子化学是研究分子间相互作用缔结而形成复杂有序且具有特定功能的分子聚集体的科学，这种分子聚集体简称超分子。

换言之，超分子化学是研究通过非共价键作用形成功能体系的科学。

而普通分子是用经典理论来解释其结构的，分子是保持物质性质的最小单位，分子一经形成，就处于分子间力的相互作用之中，这种力场控制着分子的空间结构同时也影响物质性质。

而超分子化合物是由主体分子和1个或多个客体分子之间通过非价键作用而形成的复杂而有组织的化学体系。

主体通常是富电子的分子，可作为电子给体(D)，如碱、阴离子、亲核体等。

6、说明随着煤变质程度的增加，煤中有机元素的变化规律，并简单分析原因答：煤中有机结合态的微量元素包括有机金属化合物、有机大分子吸附的微量元素和以共价键相连的微量元素。

煤中与微量元素结合的有机官能团主要有梭基(一COOH) ,羟基(一0 H) ,琉基(=SH)和亚氨基(=NH)等。

在煤化作用早期，煤中许多潜在有毒微量元素有机结合态含量占优势，随着煤化作用增加，明显降低。

褐煤中由于含大量的腐殖酸，腐殖酸可与金属阳离子化合形成金属鳌合物，同时腐殖酸具有强烈的吸附作用，可吸附一定量的金属离子。

煤化作用增加，腐殖酸失去脂肪族侧链和含氧官能团，特别是羧基(一COOH)和羟基(一OH)的大量减少，形成金属鳌合物含量减少。

同时碳含量增加，分子量增大，芳香度提高，琉基(=SH)和亚氨基(=NH)等官能团的键合力降低。

因此低煤级煤中有机态的潜在有机微量元素含量高，而变质程度较高的烟煤中微量元素却以无机态占主导地位。

7、简述煤低温热解和高温热解的条件及产物的异同答：煤低温热解是指在隔绝空气或惰性气氛中，500- 6500C的温度区间，持续加热升温的条件下发生的一系列化学和物理变化，在这一过程中化学键的断裂是最基本的行为，煤热解的产物主要是半焦、煤焦油和煤气。

煤热解的产物的性质分布受煤的性质、加热速率、热解温度等特定条件的影响。

半焦产率根据煤种不同和热解工艺的不同，有一定的差别，一般占原煤量的50%左右。

半焦热值高于原煤(对褐煤可提高50%一80% )，反应活性好。

依据原料煤灰分不同，得到的半焦灰分也不同。

煤焦油的产率也和煤种以及热解工艺有关，一般占原煤量的5%左右。

煤气的产率和品质与热解工艺有很大关系。

煤高温热解后的产物有焦炭、焦油和煤气原煤的热解温度为1 000℃一1 400 ℃,随着煤种的不同，在不同温度段的产物变化也不尽相同。

8、什么是洁净煤技术？答：传统意义上的洁净煤技术主要是指煤炭的净化技术及一些加工转换技术，即煤炭的洗选、配煤、型煤以及粉煤灰的综合利用技术，国外煤炭的洗选及配煤技术相当成熟，已被广泛采用；目前意义上洁净煤技术是指高技术含量的洁净煤技术，发展的主要方向是煤炭的气化、液化、煤炭高效燃烧与发电技术等等。

它是旨在减少污染和提高效率的煤炭加工、燃烧、转换和污染控制新技术的总称，是当前世界各国解决环境问题的主导技术之一，也是高新技术国际竞争的一个重要领域。

根据我国国情，洁净技术包括：选煤，型煤，水煤浆，超临界火力发电，先进的燃烧器，流化床燃烧，煤气化联合循环发电，烟道气净化，煤炭气化，煤炭液化，燃料电池。

9、简述现代煤化工可持续发展的基础答：进入21世纪，国际原油价格的不断高涨和中国石油对外依存度的不断提高，再次对中国的能源安全和石化产业的稳健发展造成了显著的影响。

伴随着此轮国际油价的高位盘整，再加上中国富煤贫油少气的能源态势，自2002年以来，中国又掀起新一轮煤化工产业发展与投资热潮。

一时间，各地纷纷规划和实施各类煤化工项目。

石油己经具有了政治属性和金融属性，西方势力通过控制石油价格来遏制新兴经济体的发展。

数据显示，2011年我国原油对外依存度己经超过55%，预计2020年将达到70%，国家能源供给安全而临巨大挑战。

当前，中国煤化工产业的发展正处于传统产业向现代产业发展的关键阶段将那些工艺技术水平落后。

如何抓住这一机遇，尽快单位产品能值低的低端煤化工产业的比重降下来工产业能否持续健康发展的重要环节。

实践中，可以考虑提高煤化工产业的集中度，不断提高大型企业在整个行业的结构比例; 要进一步在整个煤化工产业中继续推动循环经济的实施，尽可能实现能源的高效充分利用，注重废弃物的资源化利用，从多个源头实现整个产业的节能降耗。

发展循环经济强化产业内多联产及系统整体优化走出煤化工产业新型节能之路；培育煤化工产业节能服务体系培养高素质的致力于煤化工产业节能工作的节能服务和管理队伍。

加强煤化工产业节能中的能源统计与计量做好统一折标系数规范节能核算方法等基础性工作。

10、简述煤炭气化过程的主要评价指标答：煤气化工艺性能主要评价指标有①有效气体成分含量，煤气是CO,H2,CO2,CH4,N2,NO2,H2S,SO2等多组分混合气体，同时还含有未完全反应的O2和水蒸气，CO和H2是煤气中的主要成分气体，其总量一般在70%以上。

②煤气产率，煤气产率是反映煤气化产量效果评价的重要指标、煤气产率是指气化单位重量的原料煤所得到的标准状态下煤气体积数。

③碳转化率，碳转化率是指在气化过程中消耗的(参与反应的)总碳量占入炉原料煤中碳量的百分数。

④煤气化消耗指标，煤气化消耗指标是反应气化过程经济性的评价指标、煤气化消耗指标是指生产单位煤气有效成分(CO+H2)所消耗的煤炭量或气化剂量。

工业上，单位煤气有效成分常采用1000m3的(CO+H2)为单位。

考察上述煤气化性能评价指标，可以看出这些气化性能评价指标并不完全独立。

其中有效气体含量指标(CO+H2) %与CO%和H2%完全相关，而各类消耗指标比煤耗、比氧耗和比汽耗与产气率、碳转化率及己知的工艺条件如投煤量、氧量和蒸汽量等相关。

二、论述题（按要求选一题，在题目主题不变的前提下，自拟标题，要求打印，不少于3000字，50分）1.生物柴油的制备原理与研究进展2.高分子废弃物的回收与利用（以一类为例）研究进展3.煤中微量元素的赋存状态及其在煤化工过程中的迁移与控制（赋存状态、迁移规律、煤气和烟气脱重金属、脱氯技术）4.导电高分子材料的原理、种类及应用5.环糊精化学研究进展6.煤泥综合利用的研究进展7.从化学反应工程的角度出发，分析强化煤气化反应过程的途径，并分析煤表面灰层对煤气化过程的影响8.煤燃烧过程中PM2.5的产生原因及其控制技术研究进展。