Question

【题目】多尺度复杂化学系统模型可以用量子化学计算小区间内(如生物固氮时固氮酶中)的化学反应。

(1)固氮酶有铁蛋白和钼铁蛋白两种，它们不仅能够催化N2还原成NH3，还能将环境底物乙炔催化还原成乙烯。

①乙炔是__________(填“非极性”或“极性”)分子。

②碳负离子CH3-的立体构型为____________。

③根据等电子原理，NO＋的电子式为________________。

(2)钒可用于合成电池电极，也可用于人工合成二价的钒固氮酶(结构如图a)。

①V2＋基态时核外电子排布式为____________________________________________。

②钒固氮酶中钒的配位原子有_____________________________(填元素符号)。

(3)烟酰胺(结构如图b)可用于合成光合辅酶NADPH，烟酰胺分子中氮原子的杂化轨道类型有_______________________，1 mol该分子中含σ键的数目为________。

(4)12 g石墨烯(结构如图c)中含有的正六边形数目约为________；请你预测硅是否容易形成类似石墨烯的结构，并说明理由：___________________________________。

Answer 1

【答案】非极性 三角锥形 1s22s22p63s23p63d3(或[Ar]3d3) S、N sp2、sp3 15NA 0.5NA 不容易，硅原子半径大，3p轨道不易形成π键

【解析】

(1)①乙炔是为直线型对称结构，分子中正负电荷重心重合；

②计算CH3-离子中C原子价层电子对数、孤电子对数，进而确定其空间构型；

③等电子体结构相似，NO+与氮气互为等电子体；

(2)①V元素原子核外电子数为23，失去4s2上2个电子形成V2+；

②配位原子提供孤对电子；

(3)根据N原子价层电子对数，确定N原子杂化方式；单键为σ键，双键含有1个σ键、1个π键，注意C的四价结构；

(4)由石墨烯的结构图可知，每个碳原子为3个正六边形共有，则一个正六边形含有6×=2，计算12石墨烯中碳原子数目，进而计算含有的正六边形数目；Si原子半径比碳原子半径大，3p轨道不易重叠形成π键。

(1)①乙炔是为直线型对称结构，分子中正负电荷重心重合，属于非极性分子；

②CH3-离子中C原子价层电子对数为3+=4，含有1对孤电子对数，其空间构型为三角锥形；

③NO+与氮气互为等电子体，NO+中N原子与O原子之间形成3对共用电子对，其电子式为；

(2)①V元素原子核外电子数为23，失去4s2上2个电子形成V2+，则V2+基态时核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d3(或[Ar]3d3)；

②由图可知，N和S提供孤对电子，则钒固氨酶中钒的配位原子是S与N；

(3)由烟酰胺结构式可知，分子中氨基中N原子成3个σ键、含有1对孤电子对，杂化轨道数目为4，采取sp3杂化，而环中N原子成2个σ键、含有1对孤电子对，杂化轨道数目为3，采取sp2杂化；分子中含有4个C-H键、2个N-H键、3个C-C键、2个C-N键、4个双键，其中单键均为σ键，双键含有1个σ键、1个π键，则每个分子中含有15个σ键，故lmol该分子中含σ键数目为15NA；

(4)12g石墨烯中碳原子的物质的量为=1mol，由石墨烯的结构图可知，每个碳原子为3个正六边形共有，则一个正六边形平均含有碳原子数为6×=2，则一共含有的正六边形数目为1mol××NAmol-1=0.5NA；Si原子半径比碳原子半径大，3p轨道不易重叠形成π键，硅不容易形成类似石墨烯的结构。