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(jīng)典分子力學處理。該成果可以幫助科學家優(yōu)化太陽能電池、機動車的燃料，甚至藥品等。本文編制數(shù)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(fā)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(zhì)分子里有成百上千個原子，但化學反應往往發(fā)生在其中的一個小區(qū)間。量子力學能夠精確描述例如酶催化等小區(qū)間的化學反應，但小區(qū)間不是孤立的，整個環(huán)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(jīng)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(xiàn)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(fā)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(yè)化學過程等。這套方法適用化學的每個領域，我們可以優(yōu)化汽車里的燃燒過程、研究藥物在人體內(nèi)如何發(fā)揮作用，或者開發(fā)新的工業(yè)催化反應，科學家們還可以以此優(yōu)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(zhì)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(jīng)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(jié)約能源資源和環(huán)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(huán)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(zhì)

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(zhì)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(jīng)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(zhì)；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(jù)N2轉化NH3類推，也應發(fā)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(fā)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(chǎn)物除碳水化合物外，還有類脂、有機酸、氨基酸和蛋白質(zhì)等。在不同條件下，各種光合產(chǎn)物的質(zhì)和量均有差異，例如，氮肥多，蛋白質(zhì)形成也多，氮肥少，則糖的形成較多，而蛋白質(zhì)的形成較少；植物幼小時，葉子里蛋白質(zhì)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(zhì)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?yōu)楣饽?/p>

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(jīng)卡爾文循環(huán)最終生成糖，CO2發(fā)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(fā)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(wěn)定存在

【解析】（1）A不正確，是將光能轉變?yōu)榛瘜W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(huán)境，外在環(huán)境可用經(jīng)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(fā)電是物理過程；D不正確，硅太陽能電池不發(fā)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?yōu)殡娔?，需發(fā)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(huán)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(fā)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(fā)生的反應為CO2＋2H＋＋2e－

C．H＋從電極②經(jīng)過質(zhì)子膜流向電極①

D．電流由電極②經(jīng)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(jīng)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）