2025年大學(xué)《化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——元素周期表的超重元素探秘考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述你對(duì)“超重元素”定義的理解，并說明區(qū)分超重元素與其他重元素（如錒系元素）的主要依據(jù)。二、解釋“元素島”假說的基本思想。根據(jù)該假說，預(yù)測(cè)第七周期中可能穩(wěn)定存在的超重元素的大致區(qū)域（周期和族），并簡(jiǎn)述支持該假說的理論依據(jù)。三、比較中子俘獲過程（緩慢和快速）在合成超重元素方面的特點(diǎn)。簡(jiǎn)要說明目前合成重原子序數(shù)元素（Z>110）主要采用的方法及其基本原理。四、假設(shè)某新合成的超重元素X（位于第七周期，第IIB族）的原子序數(shù)為Z?；谝阎闹卦兀ㄓ绕涫清H系元素）的化學(xué)性質(zhì)，預(yù)測(cè)元素X可能具有哪些主要的氧化態(tài)？并闡述你做出這些預(yù)測(cè)的理由。五、超重元素的原子核通常具有極短的半衰期。這種核不穩(wěn)定性如何影響其化學(xué)性質(zhì)的研究？實(shí)驗(yàn)上通常采用哪些方法來探測(cè)和測(cè)量超重元素的化學(xué)行為（例如電化學(xué)性質(zhì)）？六、討論超重元素的合成與研究對(duì)現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展的意義。除了作為元素周期表的終點(diǎn)，超重元素的研究還可能對(duì)核物理、材料科學(xué)或其他學(xué)科領(lǐng)域產(chǎn)生哪些潛在的影響？七、查閱相關(guān)資料（可假設(shè)有），簡(jiǎn)述近年來在超重元素合成領(lǐng)域取得的最顯著進(jìn)展之一，并分析該進(jìn)展對(duì)于驗(yàn)證或修正“元素島”假說所起的作用。試卷答案一、答案：超重元素通常指原子質(zhì)量數(shù)特別大（例如遠(yuǎn)大于209）的原子核，其原子序數(shù)也相對(duì)較高。它們的特點(diǎn)是原子核具有極大的庫(kù)侖排斥能，導(dǎo)致其穩(wěn)定性極差，半衰期非常短。區(qū)分超重元素與重元素（如錒系元素）的主要依據(jù)是原子核的穩(wěn)定性。錒系元素（原子序數(shù)89-103）雖然也是重元素，但其原子核相對(duì)“較輕”，存在一定的穩(wěn)定區(qū)域（例如錒系收縮效應(yīng)使其性質(zhì)有一定規(guī)律性），半衰期相對(duì)較長(zhǎng)，可以穩(wěn)定存在并易于研究。而超重元素的原子核庫(kù)侖排斥能占主導(dǎo)地位，幾乎所有此類元素的同位素都是放射性的，且半衰期以秒、毫秒甚至更短的數(shù)量級(jí)計(jì)算。解析思路：理解超重元素的核心特征是其原子核的極端不穩(wěn)定性（由巨大庫(kù)侖能引起）。通過與性質(zhì)相對(duì)“穩(wěn)定”的重元素（錒系元素）對(duì)比，突出穩(wěn)定性（或半衰期）是關(guān)鍵區(qū)分點(diǎn)。二、答案：“元素島”假說認(rèn)為，在元素周期表的極端區(qū)域（特別是原子序數(shù)非常高時(shí)），由于原子核形狀的變化（從球形向變形橢球過渡）以及核子相互作用（強(qiáng)相互作用）的特殊效應(yīng)，存在一個(gè)或多個(gè)區(qū)域，其中某些超重元素的原子核可能比鄰近區(qū)域更穩(wěn)定，形成“島嶼”。這些區(qū)域大致位于第七周期從第IIA族到第IVA族的范圍內(nèi)。支持該假說的理論依據(jù)主要包括：1）微觀理論計(jì)算（如基于密度泛函理論、耦合通道模型等）預(yù)測(cè)特定變形核形狀具有相對(duì)較低的激發(fā)能和較高的結(jié)合能；2）實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的某些重核（如镎、鋦等）的反常性質(zhì)（如裂變模式、子核分布）有時(shí)被解釋為接近這種穩(wěn)定島的證據(jù)；3）隨著合成技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)上合成并確認(rèn)的原子序數(shù)越高的元素，其半衰期和衰變模式有時(shí)也呈現(xiàn)出一些偏離傳統(tǒng)預(yù)測(cè)的、可能暗示穩(wěn)定島存在的跡象。解析思路：首先解釋“元素島”假說的核心概念（特定區(qū)域存在相對(duì)穩(wěn)定的超重核）。然后明確預(yù)測(cè)的周期和族范圍。最后，從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)層面闡述支持該假說的依據(jù)，涉及微觀理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)觀察。三、答案：中子俘獲過程分為緩慢中子俘獲（s-process）和快速中子俘獲（r-process）。s-process發(fā)生在中低密度的恒星內(nèi)部，中子密度低，中子被原子核俘獲后有時(shí)間發(fā)生β衰變，過程相對(duì)緩慢，主要合成比鐵輕的元素，包括一些中等質(zhì)量的錒系元素。r-process發(fā)生在高密度的天體環(huán)境中（如超新星爆發(fā)、中子星合并），中子密度極高，原子核來不及衰變就連續(xù)俘獲大量中子，過程極快，是合成重元素（包括大部分錒系元素和超鈾元素）的主要途徑。目前合成Z>110的超重元素主要采用“碎裂-聚變”（Fission-Fusion）方法。其基本原理是：用加速器產(chǎn)生的重離子（如鈣Ca、鍶Sr、鉍Bi等）轟擊一個(gè)重原子核（如鉛Pb、鎂Bi等），首先引發(fā)裂變，產(chǎn)生一個(gè)中等質(zhì)量的碎片，然后該碎片迅速俘獲多個(gè)中子（或直接在裂變過程中形成），并可能經(jīng)過一次或多次的（聚變）反應(yīng)，最終形成目標(biāo)超重原子核。解析思路：首先對(duì)比s-process和r-process在條件（密度、速度）、產(chǎn)物（元素種類）和合成機(jī)制上的區(qū)別。然后重點(diǎn)介紹合成Z>110元素的主要方法“碎裂-聚變”，解釋其步驟和物理化學(xué)過程。四、答案：預(yù)測(cè)元素X（Z位于第七周期IIB族）可能具有的主要氧化態(tài)為+2。理由如下：1）元素X位于IIB族，屬于過渡金屬區(qū)域，其最外層通常有2個(gè)d電子和1個(gè)s電子（總電子構(gòu)型可能為[X]7d28s1）。根據(jù)元素周期律的規(guī)律，失去最外層的2個(gè)s電子形成+2價(jià)是過渡金屬常見的氧化態(tài)。2）與同族的較輕元素（如鋅Zn，+2價(jià)；鎘Cd，+2價(jià)）相比，雖然核電荷增加導(dǎo)致離子化能升高，但d軌道電子的存在及其屏蔽效應(yīng)，使得形成+2價(jià)的傾向仍然強(qiáng)烈。雖然理論上在極高原子序數(shù)下可能存在更復(fù)雜的價(jià)態(tài)（如+4），但這通常需要更高的激發(fā)能，+2價(jià)仍然是基態(tài)或較低激發(fā)態(tài)下最穩(wěn)定、最可能出現(xiàn)的氧化態(tài)。錒系元素中也有類似的+2價(jià)態(tài)，進(jìn)一步支持了這一預(yù)測(cè)。解析思路：基于元素在周期表中的位置（族和周期），推斷其最外層電子排布。結(jié)合元素周期律中過渡金屬常見的氧化態(tài)規(guī)律（通常等于最外層s電子數(shù)），進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí)，可以簡(jiǎn)要提及原子序數(shù)增加對(duì)氧化態(tài)的影響，但強(qiáng)調(diào)+2價(jià)的優(yōu)先性。五、答案：超重元素的原子核極短半衰期主要帶來兩大挑戰(zhàn)，從而影響其化學(xué)性質(zhì)研究：1）壽命極短使得原子核沒有足夠時(shí)間與周圍環(huán)境達(dá)到熱力學(xué)平衡，難以形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵并參與宏觀化學(xué)過程；2）衰變過程往往伴隨著強(qiáng)烈的放射性，產(chǎn)生的α粒子、γ射線、中子等可能直接破壞或改變正在進(jìn)行的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，干擾對(duì)化學(xué)行為的精確測(cè)量。因此，研究超重元素的化學(xué)性質(zhì)需要在極短的時(shí)間內(nèi)完成，并且需要采用特殊的實(shí)驗(yàn)裝置和技術(shù)來屏蔽輻射、探測(cè)微弱的信號(hào)。目前主要的方法包括：1）在飛秒至秒量級(jí)的時(shí)間內(nèi)測(cè)量超重元素的電化學(xué)性質(zhì)（如電勢(shì)），通常采用“零點(diǎn)電勢(shì)法”或“電化學(xué)剝離法”的變體，利用快速電脈沖或掃描速率控制來捕捉瞬態(tài)信號(hào)；2）利用高通量合成裝置和在線化學(xué)分離技術(shù)（如氣體化學(xué)分離），在元素合成后極短的時(shí)間內(nèi)（毫秒級(jí)）直接將其輸運(yùn)到下游的化學(xué)分析系統(tǒng)（如質(zhì)譜、光譜）進(jìn)行檢測(cè)；3）理論研究則通過計(jì)算預(yù)測(cè)其性質(zhì)，并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)。解析思路：分析核不穩(wěn)定性對(duì)化學(xué)過程（平衡、鍵形成）和實(shí)驗(yàn)操作（信號(hào)探測(cè)、環(huán)境干擾）的雙重影響。接著，針對(duì)如何克服這些挑戰(zhàn)，介紹當(dāng)前研究化學(xué)性質(zhì)的主要實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)。六、答案：超重元素的合成與研究對(duì)現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展的意義體現(xiàn)在：1）驗(yàn)證和完善元素周期表理論：超重元素的合成不僅填充了周期表的空白區(qū)域，更是對(duì)“元素島”假說等核化學(xué)和化學(xué)鍵理論的直接檢驗(yàn)，推動(dòng)了這些理論的發(fā)展；2）探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的極限：研究超重元素有助于理解原子核大小、形狀、穩(wěn)定性以及核子-核子相互作用在極端條件下的規(guī)律，深化對(duì)物質(zhì)基本構(gòu)成的認(rèn)識(shí)；3）揭示化學(xué)鍵的本質(zhì)：合成并研究超重元素的性質(zhì)，可以檢驗(yàn)和發(fā)展化學(xué)鍵理論，特別是過渡金屬化學(xué)、鑭系/錒系元素化學(xué)的規(guī)律在原子序數(shù)極高時(shí)是否依然適用；4）潛在應(yīng)用前景：雖然目前超重元素難以獲得并穩(wěn)定存在，但對(duì)其放射性的研究可能啟發(fā)新型核能應(yīng)用或放射治療技術(shù)。此外，對(duì)合成和分離超重元素的技術(shù)本身也會(huì)促進(jìn)相關(guān)儀器設(shè)備（如超重元素合成裝置、高靈敏度探測(cè)器和分離器）的發(fā)展，可能溢出到材料科學(xué)等其他領(lǐng)域。解析思路：從理論驗(yàn)證（周期表、核化學(xué)、化學(xué)鍵）、物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)知、化學(xué)鍵本質(zhì)探索以及潛在應(yīng)用前景（核科學(xué)、技術(shù)溢出）等多個(gè)維度闡述其意義。七、答案：近年來（假設(shè)時(shí)間點(diǎn)），一個(gè)顯著的進(jìn)展是成功合成并確認(rèn)了原子序數(shù)為118的元素（Og），并將其定位在第七周期第0族（之前稱為第18族）。這一進(jìn)展意義重大，因?yàn)樗沟玫谄咧芷谀壳耙驯煌耆顫M（從元素118向下到元素103）。Og及其同位素（如Og-294）具有極短的半衰期（毫秒量級(jí)），其衰變模式（如α衰變到元素116）為研究“元素島”假說提供了新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的衰變鏈和子核信息，可以與理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)理論模型（如原子核結(jié)構(gòu)模型、衰變模型）的準(zhǔn)確性。雖然目前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，但Og的合成及其后續(xù)研究確實(shí)為驗(yàn)證“元素島”的位置和穩(wěn)定性提供了寶貴的輸入