基于諾貝爾化學獎編制的化學試題

江蘇 張旭東 吳軍勝

基于諾貝爾化學獎編制的化學試題

江蘇 張旭東 吳軍勝

“多尺度計算模型”是用量子化學計算反應中最關鍵的核心，尤其是反應的自由電子，上量子。外圍的原子則用經典分子力學處理。該成果可以幫助科學家優化太陽能電池、機動車的燃料，甚至藥品等。本文編制數道相關化學試題以介紹該獎成果。

【問題的由來】

2013年10月9日，諾貝爾獎委員會將2013年度諾貝爾化學獎頒發給猶太裔美國理論化學家馬丁·卡普拉斯（Martin Karplus）、美國斯坦福大學生物物理學家邁克爾·萊維特（Michael Levitt）和南加州大學化學家阿里耶·瓦謝爾（Arieh Warshel）因給復雜化學體系設計了多尺度模型而分享獎項。

“一個蛋白質分子里有成百上千個原子，但化學反應往往發生在其中的一個小區間。量子力學能夠精確描述例如酶催化等小區間的化學反應，但小區間不是孤立的，整個環境也需要納入研究考量。”將量子化學和分子力學計算相結合，用量子化學計算反應中最關鍵的核心，尤其反應的電子，外圍的原子則用經典分子力學處理，彌補了分子力學無法模擬反應過程及量子化學無法完成海量計算的缺陷，從而實現了牛頓和薛定諤的貓和平共處。卡普拉斯、萊維特和瓦謝爾所發明的多尺度模型的意義在于其具有普遍性，可用來研究各種各樣的化學過程，從生命分子到工業化學過程等。這套方法適用化學的每個領域，我們可以優化汽車里的燃燒過程、研究藥物在人體內如何發揮作用，或者開發新的工業催化反應，科學家們還可以以此優化太陽能電池。

【相關試題】

1．目前研究表明固氮酶的生理底物氮氣（N2）和質子（H＋）在鉬鐵蛋白中的鐵鉬輔因子上被還原。

（1）下列有關說法正確的是（ ）

A．建立多尺度模型時，只研究鐵鉬輔因子

B．建立多尺度模型時，鐵鉬輔因子由經典化學研究

C．每生成2個氨分子轉移6個e－

D．固氮菌基因轉移非豆科植物，有利于節約能源資源和環境保護

（2）固氮酶它們不僅能夠催化N2還原成NH3以外，還能將環境底物乙炔（C2H2）催化還原成乙烯，下列說法不正確的有________。

A．固氮酶屬于蛋白質

B．C2H2、C2H4都是非極性分子

C．鑒別乙炔和乙烯可用溴水

D．C2H2轉化為C2H4需要有質子參與，每生成1mol C2H4得到2mol e－

【解析】（1）A、B不正確，在固氮酶活性中心金屬原子簇由量子力量（化學研究）其余部分由經典化學（力學）研究，多尺度模型包含其兩方面；C項：2NH3，正確；D項：這實際上是轉基團技術，轉移后的植物，建立“植物的小化肥廠”，讓植物直接固氮，這樣就可以免施化肥。（2）A正確，酶都屬于蛋白質；B正確，乙炔是直線形，乙烯是平面四邊形，都是對稱分子，正負電荷中心重合；C不正確，兩者都能使溴水褪色；D正確，依據N2轉化NH3類推，也應發生反應：

【答案】（1）CD （2）C

2．光合作用高效光能轉換機理，綠色植物發生光合作用時，其化學示意如圖。光合作用機理與葉綠素a相關的光電效應中心結構。光合作用的產物除碳水化合物外，還有類脂、有機酸、氨基酸和蛋白質等。在不同條件下，各種光合產物的質和量均有差異，例如，氮肥多，蛋白質形成也多，氮肥少，則糖的形成較多，而蛋白質的形成較少；植物幼小時，葉子里蛋白質形成多，隨年齡增加，糖的形成增多；不同光波如藍紫光下則合成蛋白質較多，在紅光下則合成碳水化合物較多。

光合作用示意圖

（1）下列說法正確的是________。

A．植物光合作用將化學能轉變為光能

B．利用多尺度模型可觀察到化學反應的全過程

C．光合作用模型不需要考慮土壤含氮量及光的頻率

D．植物在不同時期時，多尺度模型中“光電效應中心結構”相同

（2）下列有關光合作用與太陽能電池的說法正確的是________。

A．若由CO2與H218O，最后18O在葡萄糖中

B．經卡爾文循環最終生成糖，CO2發生了還原反應

C．硅太陽電池和光合作用過程，都是物理過程

D．硅太陽能電池與原電池原理相同

（3）葉綠素a的結構如圖，下列說法正確的是________。

A．葉綠素a分子中含有官能團只有1種

B．葉綠素a能發生氧化反應

C．圖中氮原子可與鎂離子形成兩個配位鍵

D．葉綠素a在堿性溶液中能穩定存在

【解析】（1）A不正確，是將光能轉變為化學能；B不正確，多尺度模型是一種計算計模型，而不是化學反應的觀察過程；C不正確，反應中心是光合酶，土壤含氮量、光的頻率等是外在環境，外在環境可用經典化學模型替代；D正確，反應中心是光解和CO2的還原過程，這是量子模型不變。（2）A不正確：由圖示知，先進行光解水，生成O2及氫，故18O全部在氧氣中；B正確，二氧化碳轉化為糖需用氫原子還原；C不正確：光合作用過程是復雜的化學過程，硅太陽能電池發電是物理過程；D不正確，硅太陽能電池不發生化學變化，直接將太陽能轉化為電能，原電池需將化學能轉變為電能，需發生氧化還原反應。（3）A不正確，分子中含有酯基和羰基兩種含氧官能團；B正確，分子中碳碳雙鍵等一定條件能被氧化；C正確，吡咯環上“N—”中氮原子上有一對孤對電子，能與Mg2＋配位；D不正確，酯基在堿性條件發生水解。

【答案】（1）D （2）B （3）BC

3．下圖是模擬光合作用，利用CO2和H2O合成甲酸的原理示意圖，下列有關說法不正確的是（ ）

B．CO2在電極表面發生的反應為CO2＋2H＋＋2e－

C．H＋從電極②經過質子膜流向電極①

D．電流由電極②經外電路流向電極①

【解析】A正確，由題意，太陽能直接轉化為化學能，由圖示可知生成甲酸和氧氣；B正確，CO2轉化為HCOOH得到兩個電子；C不正確，H＋應向正極移動，即向電極②移動；D正確，電極②為正極，電極①為負極，電流從正極經外電路流向負極。

【答案】C

（作者單位：江蘇省無錫市立人高級中學）