第四章 物质结构元素周期律
第一节 原子结构与元素周期表 .................................................................................. - 1 -
第1课时 原子结构 .............................................................................................. - 1 -
第2课时 元素周期表 .......................................................................................... - 5 -
第3课时 核素 ...................................................................................................... - 8 -
第4课时 原子结构与元素的性质 .................................................................... - 10 -
第二节 元素周期律 .................................................................................................... - 16 -
第1课时 元素性质的周期性变化规律 ............................................................ - 16 -
第2课时 元素周期表和元素周期律的应用 .................................................... - 19 -
第四章 物质结构 元素周期律
第一节 原子结构与元素周期表
第1课时 原子结构 核素
基础过关练
题组一 认识原子结构、核素、同位素
1.(2020江苏如皋中学教学质量调研)工业焊接钢管时常用 88137Cs进行“无损探伤”,这里的“137”是指该原子的( )
A.质子数 B.中子数 C.电子数 D.质量数
2.(2020陕西延安高一上期中)23He可以作为核聚变材料。下列关于 23He的叙述中,正确的是( )
A.质子数为2 B.电子数为3
C.中子数为2 D.质量数为2
3.(2019山东济南高三上期末)2016年国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)公布了118号元素符号为Og,至此元素周期表的七个周期均已填满。下列关于 118297Og的说法错误的是( )
A.原子序数为118
B.中子数为179
C.核外电子数为118
D.Og元素的相对原子质量为297
4.有六种微粒,它们分别是 1940M、2040N、1840X、1940Q+、2040Y2+、1740Z-,它们所属元素的种类为( )
A.3种 B.4种 C.5种 D.6种 5.1020Ne是最早发现的氖元素的稳定核素,汤姆孙(J.J.Thomson)和阿斯通(F.W.Aston)在1913年发现了 1022Ne。下列有关说法正确的是( )
A.1022Ne和 1020Ne互为同素异形体
B.1022Ne和 1020Ne属于不同的核素
C.1022Ne和 1020Ne的性质完全相同
D.1022Ne转变为 1020Ne为化学变化
6.简单原子的原子结构可用下图形象地表示:
其中表示质子或核外电子,表示中子,则下列有关①②③的叙述正确的是( )
A.①②③互为同位素
B.①②③属于不同的元素
C.①②③是三种化学性质不同的粒子
D.①②③具有相同的质量数
7.(2019河北辛集中学高一下第一次阶段考试)硒是人体必需的微量元素,如图是硒在周期表中的信息,下列关于硒元素的说法错误的是( )
一、选择题
1．原子序数依次增大的a、b、c、d四种短周期主族元素，a原子半径最大，b的氧化物的水化物显两性，c核外电子总数为原子次外层的电子数的两倍。下列叙述正确的是
A．离子半径：c>d>b>a
B．cd两种元素可形成离子化合物
C．c的氧化物的水化物是强酸
D．d单质形成的氢化物的稳定性比c单质的强
2．短周期元素X、Y、Z、W在元素周期表中的相对位置如图所示，其中W原子的质子数是其最外层电子数的三倍。下说法不正确的是
A．原子半径：Z>W>X>Y
B．最简单氢化物的稳定性：X>Y>W>Z
C．最高价氧化物对应水化物的酸性：X>W>Z
D．化合物XY与 ZY2中均含有共价键
3．已知X、Y、Z、W、R是原子序数依次增大的五种短周期主族元素，只有Z是金属元素，X的简单氢化物分子为正四面体结构，Y是地壳中含量最高的元素，Y与W同主族，下列说法正确的是
A．原子半径：X＜Y＜W
B．最高价氧化物的水化物的酸性： X＜W＜R
C．WY2能使紫色石蕊试液先变红后褪色
D．Z与Y形成的化合物一定是碱性氧化物
4．核内中子数为N的R2+，质量数为A，则ng它的同价态氧化物中所含电子的物质的量为
A．nA+16(A+N-10)mol B．NA(A+N-6)mol
C．(A−N+2)mol D．nA+16(A-N+8)mol
5．下列有关化学用语表示正确的是（ ）
A．原子核内有10个中子的氧原子：1810O B．硫离子的结构示意图：
C．四氯化碳分子的球棍模型： D．氧化钠的电子式：
6．已知X、Y、Z、W四种元素中，X元素原子核内没有中子；Y元素原子的最外层电子数是次外层电子数的2倍；Z元素原子失去1个电子后的电子层结构与氖原子相同；W元素原子得到1个电子后的电子层结构与氩原子相同。下列说法正确的是（ ）
A．X元素的原子不存在同位素现象 B．Y元素在自然界仅以游离态存在
C．Z元素的原子性质很活泼，易失去电子形成稳定结构
1 同位素检测 同位素检测法就是所谓的碳十四同位素断代法。同位素是指原子序数相同，而质量数不同的各种原子。在元素周期表中占同一位置，其化学性质几乎相同。如C12、C13、C14。其中C14(碳十四)是具有放射性的同位素。所谓放射性同位素是指自然界存在的一些最重的元素，会发出三种辐射。而同位素断代法正是利用了放射性同位素的蜕变周期。 蜕变也叫衰变，放射性元素的半衰期即表示衰变的快慢。不同原子半衰期有很大差别。在考古学上，通过用常规的放射性衰减技术法测量C14的丰度(多少)。C14的含量与现在C为标准进行比较，就可推知该样品的年代了。实际上，鉴定古地图可以用超灵敏的加速器质谱技术，其技术也是建立在同位素检测原理上，但要先进很多。质谱技术测试时间更短，精度更准，相应的测年误差为正负50年。 碳十四测年法 碳十四测年法又称放射性同位素（碳素）断代法，一般写作 14 C 。 14 C 断代方法由美国 芝加哥大学利比（ Libby ）教授于 1949 年提出。 1 、碳十四断代法的原理 自然界存在三种碳的同位素： 12C （ 98.9% ） , 13C (1.19%), 14C (10-10%) ，前两者 比较稳定，而 14C 属低能量的放射性元素。 14 C 的产生和衰变处于平衡状态，其半衰期 为 5730±40 年（现在仍使用 5568±30 年）。宇宙射线同地球大气发生作用产生了中子， 当热中子击中 14 N 发生核反应并与氧作用便产生了地球上的 14 C 。在大气环境中新生 14 C 很快与氧结合成 14 CO2 ，并与原来大气中 CO2 混合，参加自然界碳的交换循环。植 物通过光合作用吸收大气中的 CO2 ，动物又吃植物，因而所有生物都含有 14 C 。生物死 后，尸体分解将 14 C 带进土壤或大气中，大气又与海面接触，其中的 CO2 又与海水中溶 解的碳酸盐和 CO2 进行交换。可见凡是和大气中进行过直接、间接交换的含碳物质都含 14 C 。同时 14 C 又以 5730 年的半衰期衰变减小；加上碳在自然界的循环交换中相当快，使 得 14 C 在世界各地的水平值基本一致。如果生物体一旦死亡， 14 C 得不到补充，其中的 14 C 含量就按放射性衰变规律减少，经过 5730 年减少为原来的一半。因此可以计算出生 物与大气停止交换的年代 t ，即推算出生物死亡的年代。所以，一切死亡的生物体中的残 存有机物以及未经风化的骨片、贝壳等都可用 14 C 来测定年代。 碳十四测年技术（C14断代法） 又称放射性碳素断代法(Radiocarbon dating) 。 2 碳十四测年技术的起源和发展 公元1936年，一个名叫卡门的科学家发现并分离出一种分子，它是碳的一种同位素，分子量是十四，因此被称为碳十四。三年后，科学家柯夫经过研究，指出宇宙射线和大气作用后，射线中子的最终产物是碳十四，并计算出了其在大自然中的产生率。 这些成果引起了年青科学家利比的高度重视。利比是个爱好广泛的人，他一方面是研究放射现象的自然科学家，另一方面又喜欢诸如考古、历史之类的社会科学。利比敏锐的感觉到，这也许是解决考古学年代测定的一个突破口。二战结束后，利比出任芝加哥大学教授。有了自己的时间，他开始将心中的理想付诸实施。起初他对自己的研究秘而不宣，想给考古界带来个惊喜，但由于没有经费，他不得不于1946年圣诞节将自己的研究目的透露出来。消息传到考古界，立即引起维金基金会的重视，为利比提供了科研资金。在这笔资金的支持和众多考古学家的鼓励下，1949年利比终于成功的创建了碳十四测年的常规方法。 为了检验测年方法的准确性，专家们进行了严密的盲测实验。他们找来许多已知年代的含碳标本，放在只有标号的盒子里，让利比进行测年，然后把结果与实际年代进行比对，所有的结果都在可接受的误差范围内。 经过重重考验，碳十四常规测年法被考古学家和地质学家所接受，成为确定旧石器晚期以来人类历史年代的有力工具。许多长久以来没有解决的难题迎刃而解。我们知道，考古学与历史学的重要的结合点就在于确定遗址的年代。而碳十四测年技术则为这个结合点找到了一个突破口。这是考古学的一个重要革命性的技术。 尽管碳十四测年常规技术为考古学的发展发挥了重要作用，但从它诞生之日起，这项技术的不足之处也令考古学家感到不便。其一是它需要的标本量比较大，并不是所有的遗址都能提供这么多的标本，当然也不能用它来对某些需要测年的文物来进行测年。再就是它的精度还是不够，年代越远的标本其误差也就越大，有时竟达到几百年。这对于研究年代学的学者来说，不能不说是一种遗憾。于是又出现了木轮年代校正曲线，经过科学家多年的努力，用这两者结合起来可以将误差缩小到几年甚至一两年！ 随着核物理学的发展，一种新的测定碳十四的方法面世了，这就是用加速仪质谱学进行碳十四的分析。英文缩写为AMS。AMS具备了常规法的一切优点，同时又有许多优势。主要就是我在上文中讲到的，常规测年法精度不够，而AMS的灵敏度与精度比常规法要好得多.但更吸引专家的是,AMS所需的标本量极少,只需几毫克,几乎可以实现无损伤检测.于是便有了著名的"都灵裹尸布案". 碳十四测年的原理 我们知道,空气的主要成份是氮气和氧气.在宇宙射线的作用下,组成氮气的氮原子发生了变化,原子核由原来的七个质子变成了六个,成了碳元素的一种同位素,它的分子量是十四,因此叫碳十四.碳十四的原子核并不稳定,它放射出中子,最终又变回氮原子.这个变化是有一定的速度的,它每过5730年减少一半,这个时间也就是碳十四的半衰期.尽管如此,碳十四的化学性质还是与普通的碳十二完全一样,它与氧气反反应生成了二氧化碳,与碳十二的二氧化碳混合在了一起.科学家经过计算,认为这个混合比例,基本上是一个恒定的值,例年的变化不是太大. 3 植物在光合作用时,将二氧化碳吸入合成有机物,碳十四二氧化碳也按比例进入植物体内.在整个自然界的食物链上,碳一层层的流动着,碳十四也跟着流动.随着新陈代谢,生物体内的碳十四含量也基本与大气保持一致. 但当生物死亡后,情况发生了变化,新陈代谢停止了.于是,尸体内的碳十四便以其特有的衰变规律进行衰变.只要我们测定其中碳十四的含量,就能知道这个生物是什么时候死的.比如,我们在一个遗址中发现一块人骨，只要测出其中所含的碳十四的量，就能算出这个人的死亡时间，进一步知道这个遗址的大致年代。这就是碳十四测年的技术原理. 有一点必须指出，过去大气中的碳十四放射性水平只是变化相对不大，但并不是真正恒定的。利用统一的现代标准计算出来的年代并不是日历年代，只能称为碳十四年代。为了解决这个矛盾，学者们又找出了一个辅助的方法，就是通过树轮年代校正曲线来进行校正。树木春长秋止，在树干截面上形成疏密相间的年轮，年轮的宽窄是由当年的气候等因素决定的，科学家根据年轮的宽狭序列便可知道其生长的年代。他们首先建立起近几万年的树轮序列，然后测定每一个年轮的碳十四含量，作出了一个曲线，就是树轮年代曲线图。用它校正，可将误差缩减到几年。 都灵裹尸布奇案 耶稣的故事大家都不陌生吧？但到了文艺复兴后，人们大都认为那不过是神话。但在都灵天主教堂却长期保存着一块据称是耶稣裹尸布的圣物。围绕着这块布，科学家在争论，老百姓在谈论，就连教会内部也是议论纷纷。它本身的经历就很有传奇色彩，多次易手，多次险些被毁，而对于它的真伪，更是众说纷纭。1898年，都灵大主教曾允许科学家进行直接实物考察，上面显示出有十分逼真精细的人体影像，诸多细节与《圣经》上的记载吻合。但这并没有使争论平息。1949年，碳十四常规测年法问世，有人便提出来要为裹尸布测年，但这种方法需要太多的样本，几乎要把整个裹尸布都搭进去，教会当然不会同意。 碳十四AMS法出现后，由于它只需几毫克样本，不会对裹尸布造成损害，因此科学家希望能用这个方法给裹尸测年。经过十年艰苦谈判，教会终于同意了。 公元1988年4月21日，激动人心的时刻来到了。不列颠博物馆的考古专家和大主教一块来到都灵教堂，他们关闭了严密的保安系统，从圣器中取出这块有争议的尸布，大主教亲自从上面剪下一块长七厘米、宽一厘米的布条，然后分成三小块，分别装在三个标有号码的金属盒中，送到三家权威检测实验室进行严格的盲测。结果很快出来了，三家实验室的独立测量结果非常一致，这块裹尸布的年代为公元1260至1380年之间。裹尸布是中世纪的产物，不可能是耶稣时代的东西。这件事本身固然很有意义，同时，也使碳十四测年技术名声大振。 碳十四测年法之父是个美国人，名叫W. F. 利比（W. F. Libby）。他是个著名的物理化学家、放射化学专家、热原子化学、示踪技术、同位素示踪技术专家。利比在1947年的时候创立了用放射性碳十四 （14C）测定年代的方法，这个方法在考古学上中得 4 到了广泛的应用。1952年利比的著作《放射性测年法》由芝加哥大学出版社出版，1955年再版。这个 方法的创立给利比带来了极大的荣誉；利比因1947年创立的放射性碳十四测年法而获得了1960年的诺贝尔化学奖。1960年以后，利比长期担任了《美国 科学院公报》和《科学》的编委。W. F. 利比已于1980年去世。 碳十四测年法又称放射性碳素断代法 (Radiocarbon dating) ，还可以写成C-14测年法等。我们都知道，碳是自然界中广泛存在的元素，占地壳重要组成的0.018%；天然碳有三种同位素，即碳十二(12C)、碳十 三(13C)、碳十四(14C)，人工还可以合成碳的同位素。这其中，只有碳十四(14C)才具有放射性。碳十四(14C)在自然界含量极少，而且半衰期 很长；它也是碳的最稳定、最重要的同位素。碳十四(14C)的半衰期为5730年，不走运的是，随着岁月的推移，大气中碳十四的含量还可能会有轻微的改变 （诸如太阳黑子爆炸、火山喷发等）；所以碳十四半衰期还要按照具体的年代进行修订（树轮曲线），这个5730年最后算来大概还有正负四十年的误差存在。 由于新陈代谢，地球上生物体吸收或放出CO2的过程不断进行，生物体内的碳十四（14C）含量也保持不变。但当生物失去新陈代谢作用（死亡），14C循环 进入生物体内的过程就停止了。这时，留在体内的14C就只能按照其固有的半衰期5730年的衰变速率逐渐减少。因此，埋藏地下深层的样品，只要测定其 14C与12C的含量比例，按14C的放射性衰变公式进行计算，校订之后便可推出待测物品的存在年代。 这个方法适应于考古学和第四纪地质研究，常用样品为木炭、泥炭、木材、贝壳、骨骼、纸张、皮革、衣服以及某些沉积碳酸盐等。但是，用碳十四测年法也只能准 确测出5、6万年以内的出土文物；对于年代更久远的出土文物，如生活在五十万年以前的周口店北京猿人，实际上利用碳十四测年法是无法测定出来的。 树轮曲线 树木生长时，它的树杆每一年都长一轮（树轮或年轮）。每棵树的截面上，都可以看到一圈又一圈的年轮。数出多少个年轮，就可知树龄有多少年。实际上，从这棵 大树的不同年轮取样作碳十四测年，所得的碳十四年代与树轮的实际年代还是有差别的；它们的实际差距在2000年内基本是一致的，但是到五、六千年前就有不 小的差距了。因此，各国的科学家们在准确测定树木年轮的年代之后，将碳十四年代与精细的树轮年代学方法进行比较，从中找到了误差的规律，再用树轮对碳十四 年代作了精确校正，这就是树轮曲线和树轮校正的方法。现在已经可以用近万年的树轮，去校正碳十四测定的年代。 1965年问世的树轮校正曲线几经改进，综合1000多个由不同实验室测定的数据，建立了统一的曲线和表。1998年建立的年代校正曲线，是目前被国际通用的数据。 加速器质谱碳十四断代方法（AMS方法） 加速器质谱测年技术（AMS——Accelerator Mass Spectrometry）与碳十四断代原理基本相同，都是基于样品中碳十四同位素原子数随时间按指数函数衰变的规律；只是二者的所测物理量和测试技术有别，前者以对碳十四原子计数代替对β粒子的计数。 AMS方法是加速器技术、质谱技术和探测鉴别技术的产物，具有一些优点。首先AMS所需样品量少，一般1-5毫克就足够了，甚至20-50μg。其次，精 确度高，灵敏度可达
