内容正文:
第二单元 物质结构研究的范式、方法与意义
优化探究
专题1 揭示物质结构的奥秘
[课程标准要求] 1.认识物质结构研究的两种范式及其相互关系。2.能举例说明科学假说和论证、实验方法、模型方法等在物质结构研究中所起的重要作用。3.认识物质结构研究对各种性能的新物质发现、设计与合成的重要意义。
任务一 物质结构研究的范式
任务二 物质结构研究的方法
课时作业 巩固提升
任务三 物质结构研究的意义
任务一 物质结构研究的范式
物质结构研究有两种常见的范式:一是 ,二是 。
1.归纳范式
(1)归纳范式的过程: 。具体而言,_______________
__ 。
归纳范式
演绎范式
“从个别到一般”
概括归纳,抽象出共同点,上升为本质规律
根据事实进行
(2)归纳范式的应用
①有机物通式的归纳。如链状烷烃的通式为 ,环烷烃的通式为 。
②元素核外电子排布规律的归纳。如通过比较1~20号元素的原子核外电子排布,归纳出元素核外电子排布的规律,并从结构上解释了同族元素性质相似的原因。
③有机物通性的归纳。如通过大量含双键和三键的不饱和烃的性质,归纳出此类有机物的通性,即易发生 反应、 反应。
CnH2n+2
CnH2n
加成
氧化
2.演绎范式
(1)演绎范式的过程: 。具体而言,_______________
。
(2)演绎范式的应用
①利用元素理论,发现新元素。如“类铝”——镓,“类硼”——钪,
“类硅”——锗。
②根据元素周期律和微粒间作用力的特征等,预测物质可能具有的某些性质。
③“相似相溶规则”的应用。
“从一般到个别”
结论出发,向从属于这一结论的多个要素进行推理的过程
它是从某个一般
3.归纳和演绎的关系
(1)从科学研究的途径来看归纳和演绎的使用,一般为先归纳、后演绎。“实验——假说——理论——新实验”的过程,本质上就是从______到
,再到 的过程。
(2)归纳需要演绎作指导,以解决归纳研究的 、方向性和_______
问题;演绎需要归纳提供前提。在演绎的指导下归纳,在归纳的基础上演绎,两者互相联系、互为前提。
个别
一般
个别
目的性
正确性
结果的
(1)通过归纳得到的结果一定准确。 ( )
(2)假说不一定是科学的,但它具有一般性。( )
(3)碱金属的单质同主族从上到下还原性逐渐增强。( )
(4)ⅣA族元素的气态氢化物的熔、沸点从上到下逐渐升高,ⅤA族元素的气态氢化物的沸点从上到下也逐渐升高。( )
×
√
√
×
从微粒间作用力的角度解释ROH(醇)、RCOOH(羧酸)在水中有较大的溶解度,但碳氢化合物极难溶于水。
提示:水分子间存在较强的氢键,水分子既可为生成氢键提供H,又有孤电子对接受H,氢键是水分子间的主要结合力。所以,凡能为生成氢键提供和接受H的溶质分子,极性与水相似。如ROH(醇)、RCOOH(羧酸)等,均可通过氢键和水结合,在水中溶解度较大。碳氢化合物难以和水形成氢键,在水中溶解度很小。
1.既可以和酸反应生成盐和水,又可以和碱反应生成盐和水的氧化物称为两性氧化物。TeO2是两性氧化物,试写出TeO2分别和稀硫酸、NaOH溶液反应的离子方程式: 。
TeO2+4H+===Te4++2H2O、TeO2+2OH-===Te+H2O
2.利用归纳范式得通式。
(1)如图为一种无限长单链状结构的多硼酸根离子,其化学式为 (用n表示)。
[BO2
(2)分析表中各项的排布规律,按此规律排布第26项应为 。
C8H18
1 2 3 4 5
C2H4 C2H6 C2H6O C2H4O2 C3H6
6 7 8 9 10
C3H8 C3H8O C3H6O2 C4H8 C4H10
(2)由表可知,循环顺序为CnH2n、CnH2n+2、CnH2n+2O、CnH2nO2,26=
4×6+2,则第24项为C7H14O2,第25项为C8H16,第26项为C8H18。
任务二 物质结构研究的方法
常用的化学研究方法有 、 和 等。
1.科学假设和论证
(1)研究问题的步骤
科学假设和论证
实验
模型建构
观察
感官
仪器
提出假设
已有知识
论证
实验
(2)建立理论:理论是建立在大量的 基础之上并为实验所 的解释。
(3)修正理论:当反常现象大量出现,而原有理论又不能很好地作出解释时,就需对原有理论加以修改,甚至需要提出新的理论。
观察
证实
2.实验方法
化学是一门以实验为基础的学科,人们往往需要借助实验观测的事实对假设的正确与否进行检验。
(1) 实验,启迪人们开始用 和 的实验来研究物质的内部结构,为我们提供了一种研究物质微观结构的思想方法。
(2)20世纪20年代, 为化学研究提供了分析原子和分子结构的理论基础,极大地推进了物质结构的研究,包括物质结构研究的实验方法和实验技术,均取得很大的进步。
卢瑟福的α粒子散射
轰击
对撞
量子力学
3.模型方法
科学家需要运用一定的 与 对实验结果进行处理。常见的模型有 和 。
逻辑推理
分类 模型 模型
含义 可观察到的物体的实物模型 物质的微观层次结构,难以直接观察到,需要通过思维加工使 的微观世界以 的形式展现出来
实例 如汽车模型、飞机模型和建筑模型等 如原子结构模型、离子键模型、共价键模型和氢键模型,有机化合物的分子结构模型等
模型思维
宏观模型
微观结构模型
宏观
微观结构
抽象
可视化
(1)原子结构模型的演变
(2)模型研究的重要功能:利用模型深刻地认识 特点,揭示 的关系。
道尔顿
汤姆生
卢瑟福
玻尔
物质的微观结构
结构与性质
(1)在实验证明假设的过程中,如果实验不支持假设,则必须舍弃该假设。
( )
(2)17世纪发明的光学显微镜,能观察分子层次的物质结构。 ( )
(3)20世纪中后期,扫描隧道显微镜、原子力显微镜是研究原子结构的仪器。 ( )
×
×
×
1.在探索微观世界的过程中,科学家们常通过提出假说来把握物质的结
构及特点,不断拓展认识的新领域。关于假说,有如下表述,其中正确的是
( )
A.假说是对现实中已知事物或现象的一种简化处理
B.假说是根据已知的科学事实和原理对未知领域的事物或现象的本质提出的一种推测
C.假说是对一个问题的所有幻想和假定
D.假说最终都可以变成科学理论
B
2.1909年,新西兰出生的物理学家——卢瑟福把一束变速运动的α粒子(质量数为4的带2个正电荷的质子粒)射向一片极薄的金箔,他惊奇地发现,过去一直认为原子是“实心球”,而由这种“实心球”紧密排列而成的金箔,竟让大多数α粒子畅通无阻地通过,就像金箔不在那儿似的,但也有极少量的α粒子发生偏转或被笔直地弹回。
(1)根据以上实验现象能得出关于金箔中金原子结构的一些结论,试写出其中的三点:
①原子中存在 ,且只占原子体积的很小一部分。
②金原子核带 电荷,且电荷数远大于α粒子的电荷数,两者产生静电 作用。
③金原子的质量远 (填“大于”“小于”或“等于”)α粒子的质量。
原子核
正
排斥
大于
(1)极薄的金箔,竟让变速运动的大多数α粒子畅通无阻地通过,证明原子不是实心的球体,内部有“广阔”的空间。有极少数α粒子被笔直地弹回,证明了原子核的存在,但占原子极小的体积,否则大部分α粒子不能畅通无阻地通过;同时证明金原子核的质量远大于α粒子的质量,否则金原子核将有被α粒子弹出的可能;还能证明金原子核所带电荷种类与α粒子相同,否则两者就会相互吸引;又能证明金原子核所带电荷数远大于α粒子,否则偏转的就不会是α粒子,而是金原子核。
(2)这是利用了物质结构研究的什么方法?
。
实验方法
任务三 物质结构研究的意义
1.促进了化学科学的发展
化学科学的发展离不开对物质结构的探索和研究。
(1)1860年,国际化学界接受了50年前阿伏加德罗提出的分子假说,确立了“ ”。
(2)俄国化学家门捷列夫把似乎互不相干的化学元素,按照____________
的变化联系起来,发现了自然界的重要规律—— ,从而把
及其相关知识纳入一个自然序列变化的规律之中,有助于从理论上指导 的发现和应用。
原子—分子论
相对原子质量
元素周期律
化学元素
化学元素
(3)19世纪中叶,碳原子的 、有机物中碳原子成键的 结构、有机化合物分子中 等相继被发现,为有机立体化学的发展奠定了基础,对有机化学的进一步发展意义重大。
(4)从1900年至今,通过 和 得到的新物质的数量急剧增加。
研究物质结构,既能够为设计与合成新物质提供理论基础,也可以帮助人们预测物质的性能。
四价
立体
价键的饱和性
化学合成
分离手段
2.物质结构的探索无止境
(1)探寻人类和其他生物生命运动的化学机理,是21世纪化学科学亟待解决的重大课题之一。
①20世纪经典生物学的最大突破是在 上探索生命现象的本质,这一过程离不开对物质结构的研究。
②研究配体小分子和受体生物大分子相互作用的机理;合成具有生物活性的分子;了解生物体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理等都需要物质结构理论与分析测试技术的支持。
分子水平
(2) 是结构化学最重要的理论基础,结构化学是 最直接的实验基础和推动力量。
(3)物质结构研究对于保护生态环境、实现社会的可持续发展具有重大意义。
(4)在过去的100多年里,化学作为一门中心的、实用的、创造性的科学,已经为人类认识物质世界和人类文明的进步作出巨大贡献。
量子化学
量子化学
(1)人们能用粒子高能加速器来人工制造化学元素。( )
(2)现在有机合成从以前的单凭经验摸索已全部发展到“按图索骥”。
( )
(3)合成或从自然界分离出更多的新物质,能更好地满足人类的生活和社会可持续发展的需要。( )
(4)搞清楚食草动物胃内的酶是如何把植物纤维分解为小分子的,有利于充分利用自然界丰富的植物纤维资源。 ( )
(5)了解生物体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理,能实现创造“新陈代谢”的目标。( )
√
×
√
√
√
1.两位美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农,因为发现细胞膜水通道以及对离子通道结构和机理研究做出的开放性贡献而获得2003年诺贝尔化学奖。他们之所以获得诺贝尔化学奖而不是生理学或医学奖是因为
( )
A.他们的研究和化学物质水有关
B.他们的研究有利于研制针对一些神经系统疾病和心血管疾病的药物
C.他们的研究深入到分子、原子的层次
D.他们的研究深入到细胞的层次
C
细胞膜水通道的发现以及对离子通道结构和机理的研究对化学、生理学、医学等科学领域都有着重大意义,由于此项研究深入到了分子、原子的层次,所以做出开创性贡献的两位科学家得到了诺贝尔化学奖的殊荣。
2.下列不符合当今化学研究方向的是( )
A.发现新物质
B.合成新材料
C.研究化学反应的微观过程
D.研究化学反应中原子守恒关系
D
当今化学研究的主要方向:发现新物质,A项符合;合成新材料,开发新能源,B项符合;揭示化学反应的微观过程以及“绿色化学”等,C项符合。
课时作业 巩固提升
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[对点训练]
题组一 物质结构研究的范式
1.下列关于归纳范式的说法不正确的是( )
A.归纳范式的过程为“从个别到一般”
B.由“相似相溶规则”可推知乙醇易溶于水运用的是归纳法
C.由甲烷、乙烷、丙烷等的性质可归纳出烷烃的性质
D.归纳范式就是根据事实进行概括归纳,抽象出共同点
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B
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由“相似相溶规则”可推知乙醇易溶于水运用的是演绎法。
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2.化学工作者把烷烃、烯烃、环烷烃、炔烃……的通式转化成键数的通式,给研究有机物分子中键能大小的规律带来了很大的方便。烷烃中碳原子数跟键数的关系通式为CnH3n+1,烯烃(视双键为两条单键)、环烷烃中碳原子数跟键数的关系通式为CnH3n,则苯的同系物中碳原子数跟键数的关系通式为( )
A.CnH3n-1 B.CnH3n-2
C.CnH3n-3 D.CnH3n-4
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C
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每两个成键电子构成一个共价键,分子中的成键电子总数除以2就得到该分子中共价键总数,苯的同系物的通式为CnH2n-6,分子中碳原子总的价电子数为4n个,氢原子总的价电子数为(2n-6)个,总价电子数为(6n-6)个,共价键总数为=3n-3。
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3.下列物质研究的范式不属于演绎范式的是( )
A.由乙烯、丙烯均能与Br2、HCl、H2发生加成反应得出烯烃能发生加成反应
B.在元素理论的指导下,人们于1875年发现了“类铝”(镓)
C.利用酸的通性推知乙酸可与NaHCO3溶液发生反应
D.利用元素周期律可推断出还原性:K>Na
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A
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由乙烯、丙烯均能与Br2、HCl、H2发生加成反应得出烯烃能发生加成反应,利用的是归纳的方法,属于归纳范式。
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4.关于化合物2-苯基丙烯( ),下列说法正确的是( )
A.不能使酸性高锰酸钾溶液褪色
B.可以发生加成聚合反应
C.不能发生取代反应
D.易溶于水及甲苯
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B
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2-苯基丙烯的官能团为碳碳双键,能够被酸性高锰酸钾溶液氧化而使酸性高锰酸钾溶液褪色,一定条件下能够发生加聚反应生成聚2-苯基丙烯,故A错误,B正确;苯环、甲基均能发生取代反应,故C错误;2-苯基丙烯为烃类,分子中不含羟基、羧基等亲水基团,难溶于水,易溶于有机溶剂如甲苯,故D错误。
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题组二 物质结构研究的方法
5.研究和学习化学,有许多提供技术的方法。下列方法中所举示例正确的是( )
A.观察法:变化中观察到有发光、放热现象即可说明发生了化学变化
B.归纳法:水、二氧化碳是由分子构成的,归纳出所有物质都是由分子构成的
C.类比法:一氧化碳有毒,推测二氧化碳也有毒
D.分类法:根据组成物质的元素种类,将纯净物分为单质和化合物
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D
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化学变化的实质是有新物质生成,变化中观察到有发光、放热现象不一定说明有新物质生成,所以不一定发生了化学变化,故A错误;构成物质的微粒很多,水、二氧化碳是由分子构成的,氯化钠是由氯离子和钠离子构成的,不是所有物质都是由分子构成的,故B错误;物质不同,其性质也不同,一氧化碳有毒,但二氧化碳无毒,故C错误;根据组成物质的元素种类,将纯净物分为单质(含有一种元素)和化合物(含有不同种元素),故D正确。
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6.某同学将一小块金属钠和一小块铁分别放在表面皿中,研究它们在空气中的稳定性,该学生采用的研究方法是( )
①假说法 ②实验法 ③分类法 ④比较法
A.①② B.①③
C.②③ D.②④
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D
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假说法是以客观事实材料和科学理论为依据,对未知事实或规律所提出的一种推测性说明,题目未提出推测性说明,故①错误;通过两金属暴露于空气中,以实验研究它们在空气中的稳定性,故②正确;没有分门别类地对物质及其变化进行研究,故③错误;将一小块金属钠和一小块铁分别放在表面皿中,采取比较的方法来研究它们在空气中的稳定性,故④正确。
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7.下列实验事实与原子结构模型建立的关系正确的是( )
A.电子的发现:道尔顿的原子结构模型
B.α粒子散射:汤姆生原子结构模型
C.α粒子散射:玻尔原子结构模型
D.氢原子光谱:玻尔原子结构模型
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D
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8.某同学想利用所学的知识去探究SO2的性质,设计了如下研究程序,合理的是( )
A.观察(得出SO2的物理性质)→分类(预测SO2的化学性质)→实验(观察实验现象、验证预测)→比较并得出结论,对于异常现象再预测,再实验,再验证
B.分类(预测SO2的化学性质)→观察(得出SO2的物理性质)→实验→比较并得出结论
C.观察(得出SO2的物理性质)→实验→分类(预测SO2的化学性质)→比较并得出结论
D.实验→分类(预测SO2的化学性质)→观察(得出SO2的物理性质)→比较并得出结论
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A
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探究SO2的性质时其基本程序是先从色、态方面观察二氧化硫的外观,得出SO2的物理性质,然后根据二氧化硫可能具有的性质,预测SO2的化学性质,再做实验验证预测,观察实验并记录现象,再分析实验现象并用已知化学知识解释现象,最后得出结论,所以A合理。
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题组三 物质结构研究的意义
9.下列关于人类对原子结构的认识错误的是( )
A.伦琴发现X射线,将人类对原子结构的认识引入了新的历程
B.道尔顿认为“不同元素化合时,这些元素的原子按简单整数比结合成化合物”
C.汤姆生通过α粒子散射实验总结出原子结构行星模型
D.法国物理学家贝克勒尔发现了铀的放射性
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C
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1895年,伦琴发现X射线,将人类对原子结构的认识引入了新的历程,故A正确;1803年道尔顿提出原子论,其要点之一:不同元素化合时,原子以简单整数比结合,故B正确;卢瑟福进行α粒子散射实验后,认为原子是“行星模型”,故C错误;1896年,法国物理学家贝克勒尔发现了铀的放射性,故D正确。
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10.化学科学史上每一次重大的发现都极大地推进了科学的发展,对于人类文明的进步发挥了巨大的推动作用,如合成氨技术,制造出能促进粮食增产的氮肥,使成千上万的人免除饥饿的威胁。下列对化学史的描述不正确的是( )
A.侯德榜联合制碱法中制得的碱是烧碱
B.道尔顿提出了原子论
C.阿伏加德罗提出了分子学说
D.拉瓦锡提出了燃烧的氧化学说
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A
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侯德榜联合制碱法利用反应:NaCl+NH3+H2O+CO2===NaHCO3↓+NH4Cl,先过滤出NaHCO3,将其煅烧得到Na2CO3,因此制得的碱为Na2CO3,名为纯碱,A错误;英国科学家道尔顿提出了原子论,他认为物质是由原子直接构成的,原子是一个实心球体,不可再分割,创立了近现代原子论,B正确;阿伏加德罗在化学上的主要贡献是提出了分子的概念,并创立了分子学说,C正确;法国化学家拉瓦锡建立了燃烧现象的氧化学说,使近代化学取得了革命性的发展,D正确。
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11.据报道我国科学家最近研制出一种新型“连续纤维增韧”航空材料,其主要成分是由碳化硅、陶瓷和碳纤维复合而成。下列相关叙述不正确的是( )
A.它耐高温、抗氧化
B.它比钢铁轻、硬,但质地较脆
C.它没有固定熔点
D.它是一种新型无机非金属材料
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B
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由该材料主要成分的性质可知其应具有耐高温、抗氧化的性能,A项正确;由题意知,该材料具有良好的韧性,B项错误;该材料是由碳化硅、陶瓷和碳纤维复合而成,属于混合物,没有固定的熔、沸点,C项正确;该材料由无机物复合而成,为新型无机非金属材料,D项正确。
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12.随着科学的发展,学科间的交叉和综合越来越多,学科之间的界限越来越不明显,“边缘科学”代表了一个新名词,说明了学科间的相互联系。但目前的科学研究,学科间的分工依然存在,各自的研究领域仍有所不同。下列不属于化学研究范畴的是( )
A.水稻、兰花的太空育种
B.“嫦娥五号”带回的月球土壤成分研究
C.疫苗药物的研制
D.高强度舰船用特种钢的研发
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太空育种属于生物学研究的范畴,故选A。
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[综合强化]
13.借助碱金属和卤族元素的递变性分析下面的推断,其中正确的是( )
A.已知Ca是第4周期ⅡA族的元素,故Ca(OH)2的碱性比Mg(OH)2的碱性弱
B.已知As是第4周期ⅤA族的元素,故AsH3的稳定性比NH3的稳定性强
C.已知Cs的原子半径比Na的原子半径大,故Cs与水反应不如Na与水反应剧烈
D.已知Cl的核电荷数比F的核电荷数大,故Cl的原子半径比F的原子半径大
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由碱金属元素和卤族元素的递变性可知,同主族元素从上到下元素的金属性递增,非金属性递减,金属活动性增强,非金属气态氢化物稳定性减弱,A、B、C错误;同主族元素随核电荷数的增大,原子半径递增,D正确。
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14.要达到绿色化学的理想境界,化学家们需要回答一系列问题:指定分子之间能否反应生成预期分子?需要什么催化剂?反应速率预期多大?如何控制反应?如何确定化学反应的途径等?最有希望解决这些问题的途径是( )
A.发展量子力学理论
B.改进实验方法
C.完善元素周期律理论
D.研究质量守恒定律和能量守恒定律
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量子力学是化学的根本理论。化学越发展,越要从物质结构的深层次去理解和掌握化学反应规律。
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15.(1)根据元素周期表来比较Mg和Cs的金属性,要通过另一种元素作中介或桥梁进行比较, 这种元素是 。
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Na或Ba
(1)Mg和Na、Cs和Ba相邻,可通过Na或 Ba比较Mg和Cs的金属性强弱。
(2)元素周期表为人们寻找特殊用途的元素提供了指导性区域。可作半导体材料的元素位于 。目前常用作半导体材料的元素是 。
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金属与非金属元素交界处
Si(或硅)
(2)金属与非金属元素交界处的元素既有一定的金属性,又有一定的非金属性,可作半导体材料。目前常用作半导体材料的元素是硅。
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(3)元素周期表位于对角线的两种元素其性质相似,称之为对角线规则。根据对角线规则,金属Be与铝单质及其化合物性质相似,试回答下列问题:
①已知2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑,写出Be与NaOH溶液反应的化学方程式:(生成物之一为Na2BeO2) 。
②鉴别Be(OH)2和Mg(OH)2两种物质可选用的试剂为 ,有关的离子反应方程式为 。
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Be+2NaOH===Na2BeO2+H2↑
NaOH溶液
Be(OH)2+2OH-===Be+2H2O
(3)Be与铝单质及其化合物性质相似,Be与Al一样,能与NaOH溶液反应生成盐和氢气。Be(OH)2和Al(OH)3一样具有两性,能溶于NaOH溶液,Mg(OH)2不溶于NaOH溶液。
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