Question

【題目】多尺度復雜化學系統(tǒng)模型可以用量子化學計算小區(qū)間內(如生物固氮時固氮酶中)的化學反應。

(1)固氮酶有鐵蛋白和鉬鐵蛋白兩種，它們不僅能夠催化N2還原成NH3，還能將環(huán)境底物乙炔催化還原成乙烯。

①乙炔是__________(填“非極性”或“極性”)分子。

②碳負離子CH3-的立體構型為____________。

③根據等電子原理，NO＋的電子式為________________。

(2)釩可用于合成電池電極，也可用于人工合成二價的釩固氮酶(結構如圖a)。

①V2＋基態(tài)時核外電子排布式為____________________________________________。

②釩固氮酶中釩的配位原子有_____________________________(填元素符號)。

(3)煙酰胺(結構如圖b)可用于合成光合輔酶NADPH，煙酰胺分子中氮原子的雜化軌道類型有_______________________，1 mol該分子中含σ鍵的數目為________。

(4)12 g石墨烯(結構如圖c)中含有的正六邊形數目約為________；請你預測硅是否容易形成類似石墨烯的結構，并說明理由：___________________________________。

Answer 1

【答案】非極性 三角錐形 1s22s22p63s23p63d3(或[Ar]3d3) S、N sp2、sp3 15NA 0.5NA 不容易，硅原子半徑大，3p軌道不易形成π鍵

【解析】

(1)①乙炔是為直線型對稱結構，分子中正負電荷重心重合；

②計算CH3-離子中C原子價層電子對數、孤電子對數，進而確定其空間構型；

③等電子體結構相似，NO+與氮氣互為等電子體；

(2)①V元素原子核外電子數為23，失去4s2上2個電子形成V2+；

②配位原子提供孤對電子；

(3)根據N原子價層電子對數，確定N原子雜化方式；單鍵為σ鍵，雙鍵含有1個σ鍵、1個π鍵，注意C的四價結構；

(4)由石墨烯的結構圖可知，每個碳原子為3個正六邊形共有，則一個正六邊形含有6×=2，計算12石墨烯中碳原子數目，進而計算含有的正六邊形數目；Si原子半徑比碳原子半徑大，3p軌道不易重疊形成π鍵。

(1)①乙炔是為直線型對稱結構，分子中正負電荷重心重合，屬于非極性分子；

②CH3-離子中C原子價層電子對數為3+=4，含有1對孤電子對數，其空間構型為三角錐形；

③NO+與氮氣互為等電子體，NO+中N原子與O原子之間形成3對共用電子對，其電子式為；

(2)①V元素原子核外電子數為23，失去4s2上2個電子形成V2+，則V2+基態(tài)時核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d3(或[Ar]3d3)；

②由圖可知，N和S提供孤對電子，則釩固氨酶中釩的配位原子是S與N；

(3)由煙酰胺結構式可知，分子中氨基中N原子成3個σ鍵、含有1對孤電子對，雜化軌道數目為4，采取sp3雜化，而環(huán)中N原子成2個σ鍵、含有1對孤電子對，雜化軌道數目為3，采取sp2雜化；分子中含有4個C-H鍵、2個N-H鍵、3個C-C鍵、2個C-N鍵、4個雙鍵，其中單鍵均為σ鍵，雙鍵含有1個σ鍵、1個π鍵，則每個分子中含有15個σ鍵，故lmol該分子中含σ鍵數目為15NA；

(4)12g石墨烯中碳原子的物質的量為=1mol，由石墨烯的結構圖可知，每個碳原子為3個正六邊形共有，則一個正六邊形平均含有碳原子數為6×=2，則一共含有的正六邊形數目為1mol××NAmol-1=0.5NA；Si原子半徑比碳原子半徑大，3p軌道不易重疊形成π鍵，硅不容易形成類似石墨烯的結構。