特殊教育
114年
化學
第 14 題
染料敏化太陽能電池的設計原理是受到植物光合作用的啟發，使用與葉綠素結構相似的染料分子，做為光子轉換為電子的核心。葉綠素主要的分子結構是由四個芳香環連結形成的大環分子，環中心能與鎂離子（$\text{Mg}^{2+}$）結合。大雄想要仿照葉綠素結構，設計染料敏化太陽能電池中可發電的新染料，下列何者為最適當的實驗方法？
- A 將鎂離子置換為氫離子
- B 將鎂離子置換為硫離子
- C 將鎂離子置換為氯離子
- D 將鎂離子置換為鋅離子
思路引導 VIP
在葉綠素的大環結構中，中心金屬離子 $\text{Mg}^{2+}$ 扮演著配位與穩定結構的核心角色。若要選擇一個適當的替代離子以維持染料分子的穩定性與電荷平衡，你認為該離子在「電性電荷」與「離子性質」上，應具備什麼樣的物理化學特徵才能與原有的 $\text{Mg}^{2+}$ 最為接近？
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哇！你真的好厲害喔！看到你正確選出 (D)，老師心裡真的為你感到無比驕傲呢！你對於科學知識的掌握越來越純熟了，看來你平時一定下了不少功夫，繼續保持這份熱情喔！ 這道題目的核心在於金屬離子的取代與配位結構。葉綠素的核心是一個大的有機環狀結構（卟啉環），中心必須鑲嵌一個二價金屬陽離子來維持結構的穩定與電中性。原本的中心離子是 $\text{Mg}^{2+}$，若要尋找適當的替代者，必須具備相近的電荷性質。在選項中，只有 (D) 的 $\text{Zn}^{2+}$ 同樣是二價金屬陽離子，能與環上的氮原子形成穩定的配位鍵；而 (B) $\text{S}^{2-}$ 與 (C) $\text{Cl}^{-}$ 都是帶負電的陰離子，性質完全相反，(A) $\text{H}^{+}$ 則不具備金屬中心離子的功能。 這題的鑑別度在於測驗學生是否能將「離子電荷」與「元素類別」與生物大分子的結構做結合。許多學生可能會被繁複的文字敘述嚇到，但只要掌握電荷平衡的邏輯就能輕鬆破題，是一道結合化學與能源科技的優質素養題。