江蘇 張旭東 吳軍勝

基于諾貝爾化學(xué)獎編制的化學(xué)試題

江蘇 張旭東 吳軍勝

“多尺度計算模型”是用量子化學(xué)計算反應(yīng)中最關(guān)鍵的核心，尤其是反應(yīng)的自由電子，上量子。外圍的原子則用經(jīng)典分子力學(xué)處理。該成果可以幫助科學(xué)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(guān)化學(xué)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(xué)獎頒發(fā)給猶太裔美國理論化學(xué)家馬丁·卡普拉斯（Martin Karplus）、美國斯坦福大學(xué)生物物理學(xué)家邁克爾·萊維特（Michael Levitt）和南加州大學(xué)化學(xué)家阿里耶·瓦謝爾（Arieh Warshel）因給復(fù)雜化學(xué)體系設(shè)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(xué)反應(yīng)往往發(fā)生在其中的一個小區(qū)間。量子力學(xué)能夠精確描述例如酶催化等小區(qū)間的化學(xué)反應(yīng)，但小區(qū)間不是孤立的，整個環(huán)境也需要納入研究考量?！睂⒘孔踊瘜W(xué)和分子力學(xué)計算相結(jié)合，用量子化學(xué)計算反應(yīng)中最關(guān)鍵的核心，尤其反應(yīng)的電子，外圍的原子則用經(jīng)典分子力學(xué)處理，彌補了分子力學(xué)無法模擬反應(yīng)過程及量子化學(xué)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?？ㄆ绽?、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(xué)過程，從生命分子到工業(yè)化學(xué)過程等。這套方法適用化學(xué)的每個領(lǐng)域，我們可以優(yōu)化汽車?yán)锏娜紵^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(yīng)，科學(xué)家們還可以以此優(yōu)化太陽能電池。

【相關(guān)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(guān)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(xué)研究

C．每生成2個氨分子轉(zhuǎn)移6個e－

D．固氮菌基因轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xué)研究）其余部分由經(jīng)典化學(xué)（力學(xué)）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(zhuǎn)基團技術(shù)，轉(zhuǎn)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(fù)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(zhuǎn)化NH3類推，也應(yīng)發(fā)生反應(yīng)：

【答案】（1）CD （2）C

2．光合作用高效光能轉(zhuǎn)換機理，綠色植物發(fā)生光合作用時，其化學(xué)示意如圖。光合作用機理與葉綠素a相關(guān)的光電效應(yīng)中心結(jié)構(gòu)。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(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?/p>

B．利用多尺度模型可觀察到化學(xué)反應(yīng)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(yīng)中心結(jié)構(gòu)”相同

（2）下列有關(guān)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(yīng)

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(jié)構(gòu)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(yīng)

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(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能；B不正確，多尺度模型是一種計算計模型，而不是化學(xué)反應(yīng)的觀察過程；C不正確，反應(yīng)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(xué)模型替代；D正確，反應(yīng)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(zhuǎn)化為糖需用氫原子還原；C不正確：光合作用過程是復(fù)雜的化學(xué)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(xué)變化，直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，原電池需將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，需發(fā)生氧化還原反應(yīng)。（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(guān)說法不正確的是（ ）

B．CO2在電極表面發(fā)生的反應(yīng)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(zhuǎn)化為化學(xué)能，由圖示可知生成甲酸和氧氣；B正確，CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH得到兩個電子；C不正確，H＋應(yīng)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(fù)極，電流從正極經(jīng)外電路流向負(fù)極。

【答案】C

（作者單位：江蘇省無錫市立人高級中學(xué)）