基于诺贝尔化学奖编制的化学试题

江苏 张旭东 吴军胜

基于诺贝尔化学奖编制的化学试题

江苏 张旭东 吴军胜

“多尺度计算模型”是用量子化学计算反应中最关键的核心，尤其是反应的自由电子，上量子。外围的原子则用经典分子力学处理。该成果可以帮助科学家优化太阳能电池、机动车的燃料，甚至药品等。本文编制数道相关化学试题以介绍该奖成果。

【问题的由来】

2013年10月9日，诺贝尔奖委员会将2013年度诺贝尔化学奖颁发给犹太裔美国理论化学家马丁·卡普拉斯（Martin Karplus）、美国斯坦福大学生物物理学家迈克尔·莱维特（Michael Levitt）和南加州大学化学家阿里耶·瓦谢尔（Arieh Warshel）因给复杂化学体系设计了多尺度模型而分享奖项。

“一个蛋白质分子里有成百上千个原子，但化学反应往往发生在其中的一个小区间。量子力学能够精确描述例如酶催化等小区间的化学反应，但小区间不是孤立的，整个环境也需要纳入研究考量。”将量子化学和分子力学计算相结合，用量子化学计算反应中最关键的核心，尤其反应的电子，外围的原子则用经典分子力学处理，弥补了分子力学无法模拟反应过程及量子化学无法完成海量计算的缺陷，从而实现了牛顿和薛定谔的猫和平共处。卡普拉斯、莱维特和瓦谢尔所发明的多尺度模型的意义在于其具有普遍性，可用来研究各种各样的化学过程，从生命分子到工业化学过程等。这套方法适用化学的每个领域，我们可以优化汽车里的燃烧过程、研究药物在人体内如何发挥作用，或者开发新的工业催化反应，科学家们还可以以此优化太阳能电池。

【相关试题】

1．目前研究表明固氮酶的生理底物氮气（N2）和质子（H＋）在钼铁蛋白中的铁钼辅因子上被还原。

（1）下列有关说法正确的是（ ）

A．建立多尺度模型时，只研究铁钼辅因子

B．建立多尺度模型时，铁钼辅因子由经典化学研究

C．每生成2个氨分子转移6个e－

D．固氮菌基因转移非豆科植物，有利于节约能源资源和环境保护

（2）固氮酶它们不仅能够催化N2还原成NH3以外，还能将环境底物乙炔（C2H2）催化还原成乙烯，下列说法不正确的有________。

A．固氮酶属于蛋白质

B．C2H2、C2H4都是非极性分子

C．鉴别乙炔和乙烯可用溴水

D．C2H2转化为C2H4需要有质子参与，每生成1mol C2H4得到2mol e－

【解析】（1）A、B不正确，在固氮酶活性中心金属原子簇由量子力量（化学研究）其余部分由经典化学（力学）研究，多尺度模型包含其两方面；C项：2NH3，正确；D项：这实际上是转基团技术，转移后的植物，建立“植物的小化肥厂”，让植物直接固氮，这样就可以免施化肥。（2）A正确，酶都属于蛋白质；B正确，乙炔是直线形，乙烯是平面四边形，都是对称分子，正负电荷中心重合；C不正确，两者都能使溴水褪色；D正确，依据N2转化NH3类推，也应发生反应：

【答案】（1）CD （2）C

2．光合作用高效光能转换机理，绿色植物发生光合作用时，其化学示意如图。光合作用机理与叶绿素a相关的光电效应中心结构。光合作用的产物除碳水化合物外，还有类脂、有机酸、氨基酸和蛋白质等。在不同条件下，各种光合产物的质和量均有差异，例如，氮肥多，蛋白质形成也多，氮肥少，则糖的形成较多，而蛋白质的形成较少；植物幼小时，叶子里蛋白质形成多，随年龄增加，糖的形成增多；不同光波如蓝紫光下则合成蛋白质较多，在红光下则合成碳水化合物较多。

光合作用示意图

（1）下列说法正确的是________。

A．植物光合作用将化学能转变为光能

B．利用多尺度模型可观察到化学反应的全过程

C．光合作用模型不需要考虑土壤含氮量及光的频率

D．植物在不同时期时，多尺度模型中“光电效应中心结构”相同

（2）下列有关光合作用与太阳能电池的说法正确的是________。

A．若由CO2与H218O，最后18O在葡萄糖中

B．经卡尔文循环最终生成糖，CO2发生了还原反应

C．硅太阳电池和光合作用过程，都是物理过程

D．硅太阳能电池与原电池原理相同

（3）叶绿素a的结构如图，下列说法正确的是________。

A．叶绿素a分子中含有官能团只有1种

B．叶绿素a能发生氧化反应

C．图中氮原子可与镁离子形成两个配位键

D．叶绿素a在碱性溶液中能稳定存在

【解析】（1）A不正确，是将光能转变为化学能；B不正确，多尺度模型是一种计算计模型，而不是化学反应的观察过程；C不正确，反应中心是光合酶，土壤含氮量、光的频率等是外在环境，外在环境可用经典化学模型替代；D正确，反应中心是光解和CO2的还原过程，这是量子模型不变。（2）A不正确：由图示知，先进行光解水，生成O2及氢，故18O全部在氧气中；B正确，二氧化碳转化为糖需用氢原子还原；C不正确：光合作用过程是复杂的化学过程，硅太阳能电池发电是物理过程；D不正确，硅太阳能电池不发生化学变化，直接将太阳能转化为电能，原电池需将化学能转变为电能，需发生氧化还原反应。（3）A不正确，分子中含有酯基和羰基两种含氧官能团；B正确，分子中碳碳双键等一定条件能被氧化；C正确，吡咯环上“N—”中氮原子上有一对孤对电子，能与Mg2＋配位；D不正确，酯基在碱性条件发生水解。

【答案】（1）D （2）B （3）BC

3．下图是模拟光合作用，利用CO2和H2O合成甲酸的原理示意图，下列有关说法不正确的是（ ）

B．CO2在电极表面发生的反应为CO2＋2H＋＋2e－

C．H＋从电极②经过质子膜流向电极①

D．电流由电极②经外电路流向电极①

【解析】A正确，由题意，太阳能直接转化为化学能，由图示可知生成甲酸和氧气；B正确，CO2转化为HCOOH得到两个电子；C不正确，H＋应向正极移动，即向电极②移动；D正确，电极②为正极，电极①为负极，电流从正极经外电路流向负极。

【答案】C

（作者单位：江苏省无锡市立人高级中学）