2025年大學《化學》專業(yè)題庫——化學元素周期表新發(fā)現(xiàn)研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡要說明合成原子序數(shù)大于118的元素所面臨的主要實驗挑戰(zhàn)。二、根據(jù)價鍵理論和分子軌道理論，簡要解釋為什么第七周期中的某些超重元素（如原子序數(shù)110-112附近的元素）可能表現(xiàn)出一定的金屬性，而遠離這些區(qū)域的元素則可能保持類氦或類氖的性質。三、假設科學家合成并成功分離了原子序數(shù)為120的某種穩(wěn)定或半穩(wěn)定元素X（未命名）。請基于元素周期律和對角線規(guī)則，預測元素X可能具有哪些主要的化學性質（如主要氧化態(tài)、與水或酸的反應性、可能的氫化物等），并說明你的預測依據(jù)。四、密度泛函理論（DFT）在預測超重元素性質方面扮演著重要角色。請簡述DFT的基本思想，并說明其在預測超重元素晶體結構或成鍵特性時相較于價鍵理論或分子軌道理論可能具有的優(yōu)勢。五、第七周期稀有氣體（原子序數(shù)118，Og）的預測性質與氖（Ne）相比，有哪些顯著的不同？這些不同對理解元素周期律的普適性有何啟示？六、除了傳統(tǒng)的冷原子束法，碎裂反應和聚焦離子束法之外，你認為未來可能出現(xiàn)哪些新的實驗方法或技術，可能有助于合成更重或性質更獨特的元素？七、論述超重元素研究的意義和價值，不僅限于化學學科內部，還應拓展到其他相關領域（如物理學、材料科學、天文學等）。試卷答案一、合成原子序數(shù)大于118的元素面臨的實驗挑戰(zhàn)主要包括：①原子核極強庫侖repulsion（排斥），導致原子核極不穩(wěn)定；②合成方法產生的目標原子數(shù)量極其稀少，且半衰期極短（通常小于秒級甚至毫秒級）；③需要在極低溫和超高真空條件下進行，且需精確控制反應過程以探測和分離極其微量的產物；④產物通常以高能離子或原子形式存在，難以直接捕獲和觀測，需要間接探測方法（如裂變碎片分析、原子束俘獲等）。二、根據(jù)價鍵理論，當d軌道開始參與成鍵時（通常在元素周期表的d區(qū)之后），元素可能形成較為穩(wěn)定的d-d或d-p鍵，從而表現(xiàn)出金屬性。原子序數(shù)110-112附近元素位于第七周期d區(qū)開始區(qū)域，其價電子構型可能涉及5f、6d、7s軌道的相互作用，使得d電子可以參與成鍵，增強了金屬性。而遠離此區(qū)域的元素，如118號元素，其價電子構型更接近惰性氣體，s和p電子殼層完全充滿，難以形成穩(wěn)定的化學鍵，故傾向于保持非金屬性（類氖）。分子軌道理論則認為，隨著周期數(shù)增加，內層電子的屏蔽效應增強，使得外層d軌道的能級相對降低，更容易參與成鍵，從而解釋了類金屬性的出現(xiàn)。三、預測原子序數(shù)為120的元素X的主要化學性質及依據(jù)如下：1.主要氧化態(tài)：預測為+2價。依據(jù)：位于第七周期第IIA族，與鎂（Mg,Z=12）、鈣（Ca,Z=20）同主族，最外層有2個s電子，易失去形成+2價離子，符合主族元素的性質遞變規(guī)律。2.與水或酸的反應性：預測不與水反應，但能與稀強酸反應生成氫氣。依據(jù)：同主族元素從上到下金屬性增強（Ca比Mg活潑），但超重元素的金屬性增強趨勢可能因核結構效應（如殼層效應、庫侖效應）而減弱。預計其活潑性弱于鈣，但強于氫，故能與酸反應。3.可能的氫化物：可能形成氫化物XH?。依據(jù)：同主族元素（如BeH?,MgH?）能形成二元氫化物，且氫化物穩(wěn)定性從上到下減弱。預計XH?可能存在，但穩(wěn)定性不高，且可能需要特殊條件合成與穩(wěn)定。預測依據(jù)主要基于元素周期律中主族元素性質的周期性變化趨勢，并結合對角線規(guī)則（可能預測其性質與第四周期的鋅Zn或鎘Cd類似，但需考慮超重效應的修正）。四、DFT的基本思想是：通過求解描述電子系統(tǒng)電子密度ρ的Hohenberg-Kohn方程，將系統(tǒng)的總能量表示為電子密度的函數(shù)（即能量泛函）。通過使用有效的交換關聯(lián)泛函來近似這個能量泛函，即可計算體系的各種性質（如能量、力、態(tài)密度等）。DFT在預測超重元素晶體結構或成鍵特性時的優(yōu)勢在于：①計算量相對較低，尤其是對于大體系或周期性系統(tǒng)；②能夠方便地處理復雜的電子結構和成鍵情況，包括涉及d、f軌道的強關聯(lián)效應；③可以直接得到電子密度信息，便于分析電荷分布和成鍵；④相比價鍵理論（常需人為指定成鍵軌道）或MO理論（對于大體系計算量大且解析性有時較差），DFT提供了一種更普適的描述電子結構的方法，尤其適用于描述相對復雜的超重元素體系。五、第七周期稀有氣體（Og,Z=118）與氖（Ne,Z=10）相比的預測性質不同主要體現(xiàn)在：1.原子半徑：Og原子半徑顯著大于Ne，因為增加了許多電子層。2.電離能：Og的第一電離能預計低于Ne，因為核對最外層電子的吸引力減弱（有效核電荷增加不明顯，但屏蔽效應顯著增強）。3.電子親和能：Og的電子親和能可能為負值或很小，而Ne通常被認為是零。因為容納一個電子到已充滿的s和p殼層需要克服較大的能量勢壘。4.化學活性：Og預計具有顯著的化學活性，能夠形成化合物（如氟化物、氧化物），而Ne是已知最穩(wěn)定的稀有氣體，幾乎不形成化合物。這些不同表明，盡管Og與Ne同屬零族元素，但隨著原子序數(shù)的巨大增加，核結構效應（特別是殼層效應和相對論效應）對元素性質的影響變得非常顯著，使得元素周期律在超重區(qū)域呈現(xiàn)出新的特征和復雜性，啟示我們周期律是普適的，但在極端條件下需要更深入的理論（如考慮相對論效應）來理解其表現(xiàn)。六、未來可能有助于合成更重或性質獨特的元素的新實驗方法或技術包括：1.新型碎裂反應體系：探索使用不同的靶核和碎裂劑組合，優(yōu)化碎裂動力學，以產生特定區(qū)域（如超重區(qū)或超鈾區(qū)）的元素。2.冷核束技術改進：發(fā)展更精確的離子冷卻、減速和聚焦技術，提高原子束的質量和通量，增加反應截面和產物探測效率。3.反應速率控制：精確控制反應時間窗口，以便在產物形成后、衰變前進行探測，可能需要在線快速化學分離或探測方法。4.聚焦離子束方法拓展：將聚焦離子束技術應用于更重的靶材，實現(xiàn)更可控的核反應或原子轟擊，以研究特定同位素或激發(fā)態(tài)。5.利用加速器物理新方法：如采用庫侖加速器、中性束注入等非碎裂途徑合成超重元素或其同位素。6.理論指導下的實驗設計：基于更精確的理論預測（如DFT、理論同位素豐度預測）來指導實驗選擇最優(yōu)的反應路徑和條件。七、超重元素研究的意義和價值是多方面的：1.檢驗和完善化學基本原理：超重元素的合成和性質研究是檢驗元素周期律普適性、原子結構理論（特別是相對論效應、強關聯(lián)效應）和化學鍵理論的最終試驗場。它們的性質是否符合預期，將決定我們現(xiàn)有理論模型的適用范圍和需要修正的方向。2.探索物質新極限：合成超重元素拓展了人類認識物質世界的邊界，揭示了原子核質量、電荷和自旋相互作用下物質存在的極限狀態(tài)，為理解極端條件下的物理化學規(guī)律提供了物質基礎。3.基礎科學研究驅動：超重元素研究本身是核物理、原子物理、化學等多學科交叉的前沿領域，推動了相關實驗技術和理論計算方法的發(fā)展。4.潛在應用前景（盡管遙遠）：盡管目前大多