内容正文:
第一单元 物质结构研究的内容
专题 1 揭示物质结构的奥秘
1.能结合已有知识描述常见物质的微观结构,分析物质结构与其性
质之间的关系。
2.能从物质的微观结构出发解释或预测物质的宏观性质。
3.认识物质结构研究对化学科学发展的重要意义。
学习目标
任务一 认识物质的特征结构
1
随堂演练
3
内容索引
课时测评
4
任务二 揭示物质结构与性质的关系
2
任务一 认识物质的特征结构
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新知构建
1.原子结构与元素性质的关系
(1)元素原子__________________的周期性是元素性质周期性变化的主要原因。
(2)原子结构与元素的金属性和非金属性强弱的关系:
原子半径______,最外层电子数______,失去电子能力______,元素的金属性越强。
原子半径______,最外层电子数______,得到电子能力______,元素的非金属性越强。
最外层电子排布
越大
越少
越强
越小
越多
越强
NaCl是怎样形成的?
提示:钠原子在化学反应中易失去最外层的1个电子,形成Na+,钠元素表现出较强的金属性;氯原子在化学反应中倾向于获得1个电子,形成
Cl-。Na+与Cl-通过静电作用形成氯化钠晶体。
交流研讨1
2.从化学键认识化学反应的本质及过程
(1)化学反应的本质:从________(反应物)如何转变为______________(生成物)。
(2)研究过程:对反应物、生成物的__________进行针对性研究。
(3)研究目的:反应物中什么______________上的化学键容易发生断裂,继而在什么位置上生成新的化学键。
一种结构
另一种新的结构
特征结构
原子或原子团
(1)试简要写出乙醇氧化成乙醛的过程。
提示:
+2H++2e-,乙醇分子中—OH失去一个H,与—OH相连的C上失去一个H,形成CO双键,乙醇转化为乙醛,这个过程称为氧化(去氢)
反应。
交流研讨2
(2)试根据氮气的结构特点简要说明应怎样选择固氮研究中的反应条件?
提示:氮分子含有氮氮三键,在通常条件下很稳定,难以参加化学反应。所以固氮时需要改变反应条件,氮气在高温、高压、催化剂的条件下,能与氢气化合生成NH3,反应的化学方程式是N2+3H2 2NH3。
高温、高压
催化剂
(1)从分子组成上看,乙醇比乙烷多了一个氧原子,但性质差异很大。试依据两种分子的结构作分析。
提示:乙醇的结构为 ,乙烷的结构为 ,由于乙
醇分子中存在 ,因此乙醇熔沸点明显高于乙烷,易溶于水,O原子吸引电子能力大于C原子,因此在化学变化中C—O键和O—H键易断裂,化学性质比乙烷活泼。
交流研讨3
(2)过氧化氢具有强氧化性,其水溶液是医疗上常用的一种消毒液,是生活中常用的漂白剂。写出过氧化氢的电子式和结构式,指出其分子中存在的化学键,试从氧元素化合价的角度解释过氧化氢具有强氧化性的原因。
提示:过氧化氢的电子式和结构式分别为H H和 。过氧化氢分子中存在两个O—H键和一个O—O键。分子中氧的化合价为-1价,容易得一个电子形成稳定的-2价氧原子,因而过氧化氢具有强氧
化性。
1.正误判断
(1)物质的结构仅包括构成物质的微粒间的相互作用和分子的结构 ( )
(2)人们对物质的认识随着研究的发展,经常发生一些小的变化 ( )
(3)物质有宏观和微观两个方面的认识,从宏观上说物质是由元素组成的,从微观上说物质是由分子构成的 ( )
(4)原子失去电子数越多,金属性越强,得电子数越多,非金属性越强
( )
×
√
×
×
应用评价
2.从化学键的角度看化学变化的实质是“旧化学键的断裂,新化学键的形成”。下列变化中既有旧化学键断裂,又有新化学键形成的是
A.碘升华 B.酒精溶于水
C.氢氧化钠晶体受热熔化 D.一定条件下O3转化为O2
√
碘升华,酒精溶于水,均属于物理变化,没有化学键断裂和形成,故不选A、B;氢氧化钠晶体受热熔化,属于物理变化,氢氧化钠电离为自由移动的钠离子和氢氧根离子,有离子键断裂,没有化学键形成,故不选C;O3转化成O2是化学变化,既有旧化学键断裂,又有新化学键
形成。
3.如图形象地表示了氯化钠的形成过程。下列相关叙述不正确的是
A.钠原子易失去一个电子,氯原子易
得到一个电子
B.钠离子与钠原子有相似的化学性质
C.钠原子与氯原子作用生成NaCl后,
其稳定性增强
D.氯化钠是离子化合物
√
钠原子最外层只有1个电子易失电子,有较强的还原性,当它失去1个电子后形成的Na+具有最外层8个电子的稳定结构,故钠原子和钠离子化学性质不同;氯原子最外层有7个电子,当它得到1个电子后形成的Cl-具有最外层8个电子的稳定结构,Na+和Cl-通过静电作用形成离子化合物NaCl。
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任务二 揭示物质结构与性质的关系
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新知构建
物质结构与性质的关系
(1)关系:物质的结构在很大程度上决定了该物质的某些性质。
(2)物质结构与性质关系的研究过程
1.同素异形体
(1)概念:____________________________。
(2)性质:同素异形体的物理体质______,化学性质______。同素异形体性质不同的原因是组成它们结构的微粒的排列方式不同。
由同一种元素形成的不同单质
不同
相似
2.磷的常见同素异形体
不同的磷单质 结构 结构特点与性质关系
白磷 __________结构,键角为______,因________键弯曲而具有较大的张力,其键能较____,易______,所以白磷在常温、常压下就有很高的__________
红磷 呈______结构,比较稳定,室温下不与氧气反应
正四面体
60°
P—P
小
断裂
反应活性
链状
许多磷的化合物的结构与P4的正四面体有关,如白磷在空气中燃烧,生成的产物之一是P4O6。试从结构上对该反应进行解释。
提示:白磷的正四面体结构为 ,其中因P—P键弯曲而具有较大的张力,其键能较小,易断裂,每个P—P键之间插入1个O原子,所以生成物之一为P4O6。
交流研讨1
3.碳元素的同素异形体
(1)金刚石
碳原子间结合牢固。金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质,可用于切割金属、玻璃。
(2)木炭
碳原子不规则结合,又称无定型碳。
(3)富勒烯结构
碳原子结合形状呈中空足球状,其中空部分可以填入其他原子或分子。
(4)碳纳米管结构
中空管状的富勒烯又称碳纳米管,它强度高、弹性佳,应用前景广泛。
(5)石墨
同一层上的碳原子之间形成六边形网状结构并层层重叠,层与层之间引力微弱,可以滑动,常用作润滑剂。
金刚石、石墨、C60、碳纳米管均由同一种元素组成,属于同素异形体,为什么性质差别很大,原因是________________,说明________
________________。
它们的结构不同
构决定物质的性质
交流研讨2
物质的结
为什么分子组成都是C2H6O的乙醇和二甲醚在性质上差异很大?例如,乙醇能与金属钠反应放出氢气而二甲醚却不能,乙醇易溶于水而二甲醚却不溶于水。
交流研讨3
提示:乙醇的结构式为 ,二甲醚的结构式为 ,
由于组成乙醇、二甲醚的微粒的排列方式不同,造成它们的性质差异很大;在乙醇中含有—OH,所以能和Na反应放出H2,—OH能和H2O之间形成氢键,所以乙醇易溶于水。
13C-NMR(核磁共振)、15N-NMR可用于测定蛋白质、核酸等生物大分子的空间结构。
(1)13C与15N所含的中子数分别为__和___。
(2)13C与12C两者互为________。
(3)15N与14N的化学性质_____(填“相似”或“不相似”)。
交流研讨4
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同位素
相似
“四同”比较
题后总结
同位素 同素异形体 同系物 同分异构体
定义 质子数相
同,中子数不同的原子
(核素) 由同一种元素组成的不同单质 结构相似,分子组成相差1个或若干个“CH2”原子团的有机化合物 分子式相同,结构不同的化合物
题后总结
同位素 同素异形体 同系物 同分异构体
对象 原子 单质 化合物 化合物
表示其组成的化学用语 核素符号不同 一般用该非金属元素的元素符号表示其单质,有确切分子式的用分子式来表示。例:金刚石和石墨都可以用C表示,氧气和臭氧分别用O2和O3来表示 分子式不同 分子式相同
结构 电子层结构相同 单质的组成或结构不同 相似 不同
性质 物理性质不同,化学性质几乎相同 物理性质不同,化学性质相似 物理性质不同,化学性质相似 物理性质不同,化学性质不一定相同
1.科学家发现由磷原子构成的黑磷(黑磷的磷原子二维结构如图)是比石墨烯更好的新型二维半导体材料。下列说法正确的是
A.黑磷属于化合物
B.黑磷导电属于化学变化
C.黑磷高温下在空气中可以稳定存在
D.黑磷与白磷互为同素异形体
√
应用评价
2.13C-NMR(核磁共振)、15N-NMR可用于测定蛋白质、核酸等生物大分子的空间结构,Kurt Wuthrich等人为此获得了2002年诺贝尔化学奖。下面有关13C、15N叙述正确的是
A.13C与15N有相同的中子数 B.13C与C60互为同素异形体
C.15N与14N互为同位素 D.15N的核外电子数与中子数相同
√
根据质量数(A)=质子数(Z)+中子数(N),可得13C、15N的中子数分别为7、8;15N的核外电子数与中子数分别为7、8。
3.碳纳米管是一种纳米尺度的、具有完整分子结构的新型材料,它是由一层碳原子卷曲而成的无缝、中空的管体,具有质轻、可弯曲、强度好、弹性强的特点。下列关于碳纳米管的可能用途不正确的是
A.用它可做成攀登月球的“太空天梯”
B.能解决室温下,低气压、高容量储存氢气的难题
C.作为优秀的绝缘材料
D.制成电脑芯片可大大提升计算机系统的计算能力
√
碳纳米管能导电,不可作为绝缘材料。
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随堂演练
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√
1.下列有关物质结构与性质的说法中,不正确的是
A.N2通常条件下很稳定的原因是氮分子中氮氮三键的键能大
B.根据石墨易传热、能导电的性质,可以推测出石墨晶体中有自由移动的电子
C.熔融的氯化钠能导电是因为其中有自由移动的电子
D.研究材料结构与性质的关系,有助于新材料的研发
A选项,氮气分子中氮氮三键的键能大,因此常温下氮气很稳定,正确;B选项,石墨的导电性和导热性与金属相似,可以推测石墨晶体中有自由移动的电子,正确;C选项,熔融的氯化钠导电是因为其中有自由移动的阴、阳离子,错误;D选项正确。故选C。
√
2.下列说法正确的是
A.红磷转化为白磷,属于物理变化
B.石墨导电,金刚石不导电,故二者不是同素异形体
C.氧气和臭氧的分子式不同,性质相同
D.硫有S2、S4、S6等单质,它们都是硫的同素异形体
√
3.科学家已成功合成了少量O4,理论计算表明可能以亚稳态存在的O4分子有两种不同的结构(如图):一种是变形的正方形,另一种的形状像风车,三个氧原子排列在中心氧原子周围,形成平面正三角形结构。O4具有较强的氧化性。下列有关O4的说法正确的是
A.O4与O3、O2互为同分异构体
B.O4比O2活泼的根本原因是O4中的化学键比
O2中的易断裂
C.相同质量的O4与O3所含原子个数比为4∶3
D.O4的两种结构互为同分异构体
O4是一种新的氧分子,故与O3、O2互为同素异形体,A项错误;O2能在自然界稳定存在,化学性质较稳定,故O4中的化学键比O2中的化学键更容易断裂,B项正确;相同质量时,O4与O3中所含氧原子个数比为1∶1,C项错误;两者均为单质,不互为同分异构体,D项错误。
√
4.石墨炸弹的成分是特殊处理的纯碳纤维丝,每根石墨纤维丝的直径仅有几千分之一厘米。一旦爆炸,里面的石墨纤维丝四处散落,附着在输电线路上时,引起短路从而烧毁其电力设备。石墨有这种性质是由于
A.有放射性 B.易燃、易爆
C.能导电 D.有剧毒
石墨炸弹破坏输电线、电厂设备的原因主要是导致供电线路短路,即石墨有导电性。
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5.最近医学界通过用放射性14C来标记C60,发现C60的一种羧酸衍生物在特定条件下可通过断裂DNA 来杀死细胞,从而抑制艾滋病(AIDS)。下列有关14C的叙述中正确的是
A.与12C 原子的化学性质不同 B.与14N含有的中子数相同
C.是C60 的同素异形体 D.与12C互为同位素
√
A选项,14C最外层电子数与12C 相等,化学性质相同,错误;B选项,14C中子数为14-6=8个,14N中子数为14-7=7个,错误;C选项,同素异形体是同一元素的不同单质C是原子,C60是碳元素的单质,不互为同素异形体,错误;D选项,同位素是同一元素的不同原子之间的互称,正确。故选D。
课时测评
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题点1 物质的特征结构
1.自从1803年英国化学家、物理学家道尔顿提出原子假说以来,人类对原子结构的研究不断深入、不断发展,通过实验事实不断地丰富、完善原子结构理论。请判断下列关于原子结构的说法不正确的是
A.所有的原子中的质子、电子两种微粒的个数都是相等的
B.所有的原子都含有质子、中子和电子三种基本构成微粒
C.不同原子含有的质子数有可能相同
D.不同原子含有的中子数有可能相同
√
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所有的原子中,始终存在质子数=核电荷数=核外电子数,所含的质子、电子两种微粒的个数都是相等的,故A正确;普通H没有中子,多数原子都是由质子、中子和电子三种基本微粒构成,故B错误;不同原子含有的质子数有可能相同,如氕、氘、氚原子质子数相同,中子数不同,属于氢元素的不同原子,故C正确;不同原子含有的中子数有可能相同,如14N和13C的中子数相同,故D正确。
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2.核磁共振(NMR)技术已广泛应用于复杂分子结构的测定和医学诊断等高科技领域。已知质子数或中子数为奇数的原子核才有NMR现象,而质子数和中子数均为偶数的原子不产生核磁共振,下列原子组一定能产生NMR现象的是
A.18O、31P、119Sn B.27Al、19F、12C
C.12C、32S、19F D.1H、13C、35Cl
√
A项,18O的质子数为8,中子数为10,不符合题意;B项,12C的质子数和中子数均为6,不符合题意;C项,12C的质子数、中子数均为6,32S的质子数和中子数均为16,不符合题意;D项,1H质子数为1,13C中子数为7,35Cl质子数为17,符合题意。
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3.科学工作者发现另一种“足球分子”N60,它的结构与C60相似。下列说法正确的是
A.N60与C60互为同素异形体 B.N60是一种新型化合物
C.N60和N2是同素异形体 D.N60和14N都是氮的同系物
√
N60和C60是不同元素组成的单质,所以不是同素异形体,故A错误;N60中只含一种元素,所以是单质,故B错误;N60和N2是N的不同单质,所以是同素异形体,故C正确;N60是单质,14N是原子,所以不是同系物,且同系物多用于有机化合物,故D错误。
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4.下列关于同分异构体、同系物、同素异形体、同位素的说法中错误的是
A.乙酸与甲酸甲酯互为同分异构体 B.Cl与Cl互为同位素
C.氧气与臭氧互为同素异形体 D.乙烯与聚乙烯互为同系物
√
乙酸和甲酸甲酯分子式相同,结构不同,互为同分异构体,故A正
确Cl和Cl的质子数相同,中子数不同,是氯元素的不同核素,互为同位素,故B正确;氧气和臭氧是由氧元素组成的结构不同的单质,互为同素异形体,故C正确;乙烯含碳碳双键,聚乙烯无碳碳双键,含官能团不同,不是同类物质,不是同系物,故D错误。
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5.下列说法正确的是
A.O和O互为同位素
B.金刚石和金刚烷 互为同素异形体
C.符合通式CnH2n+2(n≥1)且n不同的烃,不一定属于同系物
D.CH3COOCH2CH3和CH3OOCCH2CH3互为同分异构体
√
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同位素是同种元素不同原子的互称,而O和O都是化合物,A不正确;金刚石为碳的单质,而金刚烷 为碳、氢元素组成的烃,二者不互为同素异形体,B不正确;CnH2n+2(n≥1)为烷烃的通式,n不同时,两种烷烃的结构相似、组成上相差若干个“CH2”,所以二者一定属于同系物,C不正确。
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题点2 物质结构与性质的关系
6.已知下列数据:
下列事实可用上述数据解释的是
A.乙烯的熔、沸点比乙烷的低 B.乙炔在水中的溶解度比乙烯的大
C.乙炔燃烧时有浓烟产生 D.乙烯、乙炔都易发生加成反应
√
碳原子核间距离/10-10m 断裂碳碳键所需能量/(kJ·mol-1)
H3C—CH3 1.54 348
H2C==CH2 1.33 615
HC≡CH 1.20 812
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乙烷、乙烯熔、沸点的高低取决于分子间作用力的大小,与键能、键长无关,故A错误;键长和键能与物质的溶解度无关,故B错误;是否产生浓烟与含碳量有关,与键长、键能无关,故C错误;乙烯和乙炔中的双键和三键并不是碳碳单键的加和,平均键能比碳碳单键的小,所以乙烯和乙炔易发生加成反应,故D正确。
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7.下列说法正确的是
A.H2O的沸点较高是因为水分子间存在较强的化学键
B.HCl气体溶于水后,共价键被破坏,形成了H+和Cl-
C.H2S分子中所有原子最外电子层都具有8电子的稳定结构
D.NaOH和MgCl2所含化学键类型完全相同
√
水的沸点较高是因为水分子间存在氢键,氢键是分子间作用力,不属于化学键,A错误;氯化氢气体溶于水时,H—Cl共价键断裂,形成H+和Cl-,B正确;H2S分子中H的最外电子层上有2个电子,不具有8电子稳定结构,C错误;NaOH含有离子键和共价键,MgCl2只含离子键,两者化学键类型不完全相同,D错误。
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8.科学家根据自然界存在的N2制取N3,其后又陆续制取出N5、含的化合物及N60,极不稳定,需保存在-80 ℃的干冰中;由于其极强的爆炸性,又称为“盐粒炸弹”;N60与C60结构相似,并在受热或机械撞击后,其中积蓄的巨大能量会在瞬间释放出来。分析上述材料,下列说法不正确的是
A.常温下会剧烈爆炸,体积急剧膨胀,放出大量的热
B.N60的发现开辟了能源世界的新天地,将来可能成为很好的火箭燃料
C.N2、N3、N5、、N60互为同素异形体
D.含的化合物中既有离子键又有共价键
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N2、N3、N5、N60互为同素异形体,不是单质,故C错误;中氮原子之间以共价键结合,与其他阴离子之间以离子键结合,故D正确。
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9.自人类发现碳纳米管以来,在世界范围内掀起一股碳纳米管热。碳纳米管的结构见图:
“石墨的片层就像做蛋卷一样卷成了碳纳米管”。请推断下列说法不正确的是
A.碳纳米管具有较强的吸附能力
B.碳纳米管具有高的沸点
C.碳纳米管不能导电
D.碳纳米管在受热条件下能与浓硝酸反应
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表面积越大,吸附能力越强,碳纳米管呈空心管状,表面原子占比特别大,故吸附能力强;碳纳米管与石墨在沸点、导电性方面相似;碳的各种同素异形体有相似的化学性质,能被热的浓硝酸氧化成CO2。
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10.NH3是一种重要的化工原料,在半导体光催化的作用下,N2分子被光催化材料捕获进而实现N2NH3的转化(过程如图)。下列说法错误的是
A.N2在光催化材料表面断开了N≡N键
B.该反应中,N2被还原
C.该反应过程中有旧化学键断裂和新化学键形成
D.该反应的类型是化合反应
√
该反应中,N2转变为氨气,氮元素化合价从0降低到-3,被还原,B正确;该反应过程中N2、水参加反应,生成氨气、氧气,有旧化学键断裂和新化学键形成,C正确;由图知,反应中有氨气、氧气生成,则该反应的类型不可能是化合反应,D不正确。
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11.下列有关物质性质、结构的表述均正确,且存在因果关系的是
√
选项 表述Ⅰ 表述Ⅱ
A NaCl的水溶液能导电 NaCl溶于水后在电流的作用下产生自由移动的Na+、Cl-
B 通常条件下,CH4分子比PbH4分子稳定性高 Pb与C位于同一主族,Pb的非金属性弱于C,CH4比PbH4稳定
C 在形成化合物时,同一主族元素的化合价相同 同一主族元素原子的最外层电子数相同
D P4O10、C6H12O6溶于水后均不导电 P4O10、C6H12O6
均属于共价化合物
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A选项,NaCl的水溶液能导电,是其溶于水后电离出自由移动的离子,而不是在电流的作用下电离,表述Ⅱ错误;B选项,元素的非金属性越强,其简单氢化物越稳定,正确;C选项,元素形成化合物不一定都是最高价或最低价,同一主族元素在不同条件下可以形成不同价态的化合物,表述Ⅰ错误;D选项,因P4O10溶于水时和水发生反应生成H3PO4,溶液导电,表述Ⅰ错误。
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12.(12分)钋(Po)是一种低熔点金属,极其稀有,毒性和放射性极强,回答下列问题:
(1Po具有放射性,经α衰变成稳定的Pb原子,在衰变过程中释放一个He。生成的Pb的原子核中质子数为___,中子数为______。Po元素能形成较稳定的+4价离子,w g Po4+含有的电子的物质的量为________。
(2)下列有关说法正确的是____(填字母)。
a.由Po衰变为铅的变化是化学变化
b.钋元素的相对原子质量为210
c.210Po比209Po原子核多一个中子
d.研究表明,烟草中含有210Po和209Po等,它们互为同位素
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mol
cd
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(3)半衰期是指由大量原子组成的放射性样品中,放射性元素原子核有
50%发生衰变所需的时间。已知Po的半衰期为138天,质量为64 g的Po,经276天后,得到铅的质量为__________(保留两位小数)。
47.09 g
经过第一个半衰期生成的Pb的物质的量为×50% mol,剩余的Po的物质的量为×50% mol,再经过第二个半衰期生成的Pb的物质的量为×50%×50% mol,所以经过276天所得Pb的质量为(×50%+×50%×50%)×206≈47.09 g。
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13.(15分)揭示原子内部结构的奥秘,有助于我们理解所处的物质世界。
(1)上表中元素f的氢化物的电子式是__________,
此氢化物的热稳定性比元素g的氢化物的热稳定性
____(填“强”或“弱”)。
(2)某元素形成的气态氢化物中氢的含量是所有氢化物中最高的,该元素形成的化合物种类也最多,该元素是_____(填编号)。该元素有多种同位素,在理论上和科学上均有重要的应用,写出其中两种用途:__________
_________________________________________________________________________________________________________。
H
弱
b
利用14C的
放射性考古断代;12C可作为相对原子质量的基准;0.012 kg 12C所含有的碳原子数称为阿伏加德罗常数(任选其二即可)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
(3)α粒子是___(填编号)原子所形成的一种粒子,1909年,卢瑟福等人做了用α粒子轰击金箔的实验,从而提出原子结构的行星模型,下列选项中能正确表示这种模型的是_____。
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a
C
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
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第一单元 物质结构研究的内容
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