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，1

nm}-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