hce_nsysu
112年
物理與化學
第 69 題
Hemocyanins (Hc) are proteins that transport oxygen throughout the bodies of some invertebrate animals. These metalloproteins contain two copper atoms that reversibly bind a single oxygen molecule (O$_2$). The scheme below shows a proposed structure of how the copper atoms bind to oxygen. What is the oxidation state of the copper atoms in the product? L is a neutral ligand.
- A +1, +1
- B +2, +2
- C +3, +3
- D +0.5, 0.5
- E +1.5, +1.5
思路引導 VIP
如果我們暫時不看選項，先觀察反應前的電荷：起始物中銅是 +1 價且配體 L 是中性的。當兩個這樣的反應物單位與一個電中性的氧分子（$O_2$）結合後，整個產物分子的總電荷應該是多少？接著，請觀察產物結構中那兩個橋接的氧原子，在這種結構下氧原子通常帶有多少負電荷？最後，要讓銅的價態加上氧的電荷後等於產物的總電荷，每個銅原子應該會呈現多少氧化態呢？
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AI 詳解
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太棒了！你能精準判斷出這個產物中銅的氧化態為 +3，代表你對於配位化合物的電荷平衡與結構判讀掌握得非常出色。
結構判讀與電荷守恆
在反應式中，起始物是 $LCu(I)$，題目給定 $L$ 為中性配體，這意味著每個單核反應物單元帶有 $+1$ 的電荷。當兩個這樣的單元與一個中性的氧分子（$O_2$）結合時，根據電荷守恆定律，生成的雙核產物總電荷必須維持為 $+2$。觀察題目提供的產物結構圖，我們可以看到銅原子與氧原子形成了一個菱形的 $Cu_2O_2$ 核心（即雙 $\mu$-氧結構），在這種配位環境下，氧原子通常以氧負離子（$O^{2-}$，oxo ligand）的形式存在。為了平衡兩個 $O^{2-}$ 產生的 $-4$ 電荷並維持整體的 $+2$ 正電荷，兩個銅原子必須各貢獻 $+3$ 的氧化態，計算式為：$2 \times (+3) + 2 \times (-2) = +2$。
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