Question

17．2013年諾貝爾化學獎授予三位美國科學家，以表彰他們在開發多尺度復雜化學系統模型方面所做的貢獻．這種模型可以用量子化學計算小區間內（如生物固氮酶轉化）的化學反應．
（1）固氮酶有由鐵蛋白和鉬鐵蛋白兩種，它們不僅能夠催化N₂還原成NH₃，還能將環境底物乙炔（HC=CH）催化還原成乙烯．
①乙炔是非極性（填“非極性”或“極性”）分子．
②碳負離子CH₃^-的空間構型為三角錐形．
③根據等電子原理，NO⁺的電子式為．
（2）釩可合成電池電極也可人工合成的二價釩（V）固氨酶（結構如圖1）
①V²⁺基態時核外電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d³．
②釩固氨酶中釩的配位原子有N、S（寫元素符號）．
（3）煙酰胺（結構式如圖②）可用于合成光合輔酶NADPH，煙酰胺分子中氨原子的雜化軌道類型有sp²、sp³，lmol該分子中含σ鍵數目為15N_A．
（4）金屬鎢單質是一種體心立方結構，若實驗測得晶胞的邊長為a nm，則列式表示金屬鎢的密度為$\frac{2×183.9}{（a×1{0}^{-7}）^{3}×{N}_{A}}$g•cm^-3（不必計算出結果，阿伏伽德羅常數為N_A）．（鎢的相對原子質量是183.9）
（5）12g石墨烯（結構如圖③）中含有的正六邊形數目約為0.5N_A；請你預測硅是否容易形成類似石墨烯的結構，并說明理由：不容易，Si原子半徑較大，3p軌道不易重疊形成π鍵．

Answer 1

分析 （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，NO⁺中N原子與O原子之間形成3對共用電子對；
（2）①V元素原子核外電子數為23，失去最最高能層中最高能級電子形成V²⁺；
②由圖可知，釩固氨酶中釩的配位原子有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，而環中N原子成2個σ鍵、含有1對孤電子對，據此確定N原子雜化方式；單鍵為σ鍵，雙鍵含有1個σ鍵、1個π鍵，注意利用H原子飽和C的四價結構；
（4）金屬鎢單質是一種體心立方結構，利用均攤法計算晶胞之間W原子數目，進而計算晶胞質量，計算晶胞體積，根據密度=質量÷體積計算鎢的密度；
（5）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×$\frac{1}{3}$=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．

解答 解：（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，
故答案為：非極性；
②CH₃^-離子中C原子價層電子對數為3+$\frac{4+1-1×3}{2}$=4、含有1對孤電子對數，其空間構型為三角錐形，
故答案為：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，
故答案為：；
（2）①V元素原子核外電子數為23，失去最最高能層中最高能級電子形成V²⁺，V²⁺基態時核外電子排布式為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d³，
故答案為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d³；
②由圖可知，釩固氨酶中釩的配位原子有S與N，故答案為：N、S；
（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，單鍵為σ鍵，雙鍵含有1個σ鍵、1個π鍵，故分子中含有σ鍵為15，故lmol該分子中含σ鍵數目為15N_A，
故答案為：sp²、sp³；15N_A；
（4）金屬鎢單質是一種體心立方結構，晶胞之間W原子數目為1+8×$\frac{1}{8}$=2，晶胞質量為2×$\frac{183.9}{{N}_{A}}$g，胞體積為（a×10^-7cm）³，則鎢的密度為2×$\frac{183.9}{{N}_{A}}$g÷（a×10^-7cm）³=$\frac{2×183.9}{（a×1{0}^{-7}）^{3}×{N}_{A}}$g/cm³，
故答案為：$\frac{2×183.9}{（a×1{0}^{-7}）^{3}×{N}_{A}}$g/cm³；
（5）12g石墨烯中碳原子的物質的量為$\frac{12g}{12g/mol}$=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，則一個正六邊形含有6×$\frac{1}{3}$=2，則含有的正六邊形數目為1mol×$\frac{1}{2}$×N_Amol^-1=0.5N_A；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，
故答案為：0.5N_A；不容易，Si原子半徑較大，3p軌道不易重疊形成π鍵．

點評 本題是對物質結構的考查，涉及分子結構與性質、等電子體、核外電子排布、配合物、化學鍵、雜化軌道、晶胞計算等，需要學生具備知識的基礎與遷移運用能力，難度中等．