题目

( 12 分) 最近出版的“重大发现记实”中， Cute 教授发表了关于外星文明遗迹的研究结果。他认为外星人与人类非常相似，他们可能在亿万年前来过地球，留下了非常奇异的碑记。一些碑文已经破译被证明是外星人当地大学的大学生所用的普通化学教科书的几章。这些内容的最初几行就相当今人，看上去象是那个奇妙的世界里的物质定律，与我们的星球所遵循的规律不同。特别是原子结构也用四个量子数来描述，只有一个重大的区别： n ＝ 1 ， 2 ， 3 …… L ＝ 0 ， 1 ， 2 ， 3 ，…， (n － 1) M ＝－ 2L ，－ (2L － 1) ，…，－ 1 ， 0 ，＋ 1 ，…，＋ (2L － 1) ，＋ 2L M S ＝＋ 1/2 ，－ 1/2 Cute 教授允诺要继续发表相关研究，一旦他找到了财政支持，将继续他的破译工作并描述出 X 星球上的周期表和一些基础化学内容。然而以揭示的碑文内容就足以预见一些重要事实。 1-1 试创造出 X 周期表的前两个周期，为简便起见，用我们的化学符号来表示与我们原子有相同电子的 X 原子； 1-2 猜测在那里可用作洗涤和饮用的 X －水可能是什么？写出全部可能，并说明理由。依据你所构造的 X 周期表，写出他的化学式。 1-3 写出“甲烷( X 的氢化物)在氧气中燃烧”的反应，这是给人类提供能量和热源的主要过程；解释你选择 X 元素的原因？

( 12 分) 最近出版的“重大发现记实”中， Cute 教授发表了关于外星文明遗迹的研究结果。他认为外星人与人类非常相似，他们可能在亿万年前来过地球，留下了非常奇异的碑记。一些碑文已经破译被证明是外星人当地大学的大学生所用的普通化学教科书的几章。这些内容的最初几行就相当今人，看上去象是那个奇妙的世界里的物质定律，与我们的星球所遵循的规律不同。特别是原子结构也用四个量子数来描述，只有一个重大的区别：

n ＝ 1 ， 2 ， 3 ……

L ＝ 0 ， 1 ， 2 ， 3 ，…， (n － 1)

M ＝－ 2L ，－ (2L － 1) ，…，－ 1 ， 0 ，＋ 1 ，…，＋ (2L － 1) ，＋ 2L

M_S ＝＋ 1/2 ，－ 1/2

Cute 教授允诺要继续发表相关研究，一旦他找到了财政支持，将继续他的破译工作并描述出 X 星球上的周期表和一些基础化学内容。然而以揭示的碑文内容就足以预见一些重要事实。

1-1 试创造出 X 周期表的前两个周期，为简便起见，用我们的化学符号来表示与我们原子有相同电子的 X 原子；

1-2 猜测在那里可用作洗涤和饮用的 X －水可能是什么？写出全部可能，并说明理由。依据你所构造的 X 周期表，写出他的化学式。

1-3 写出“甲烷( X 的氢化物)在氧气中燃烧”的反应，这是给人类提供能量和热源的主要过程；解释你选择 X 元素的原因？

题目解答

答案

1-1 n ＝ 1 ， L ＝ 0 ， M ＝ 0

n ＝ 2 ， L ＝ 0 ， M ＝ 0

n ＝ 2 ， L ＝ 1 ， M ＝ 0, ＋ 1, － 1, ＋ 2, － 2

第一周期： H 、 He ( 2 分)

第二周期： Li 、 Be 、 B 、 C 、 N 、 O 、 F 、 Ne 、 Na 、 Mg 、 Al 、 Si ( 2 分)

1-2 氢在两种情况下都一样，但是哪一个 X 元素可以作氧的替代物？至少有三种元素与“我们的氧”具有相同的性质： Mg (其核外层少 2 个电子)， Ne (只有一个充满 p 轨道)，还有 Na ，因为它位于上述二者之间，其性质一定与二者有相同之处。因此，有三个明显的“侯选者”去作为“ X ―水”( 3 分)； H₂ Mg 、 H₃ Na 、 H₄ Ne ( 1 分)。目前，至少在 Cute 教授的进一步研究之前，我们还不能确定哪一个是最好的选择。

1-3 现在，我们必须去寻找与生命相关的元素 X －碳，选择是唯一的。因为我们需要当外层所有电子均为未成对电子对而形成杂化态时具有最大成键可能的元素，只有 O 能满足这样的条件，它以 sp⁵ 杂化形成 X －甲烷( 1 分)；化学式为 OH₆ ( 1 分)。所以 Mg 代替 X －氧为例，可得如下的反应：

X －甲烷在镁中燃烧： OH₆ ＋ 3Mg₂ ＝ OMg₃ ＋ 3H₂ Mg ( 2 分)

解析

步骤 1：确定 X 星球的原子结构
根据题目中给出的量子数规则，我们可以确定 X 星球的原子结构。n 代表主量子数，L 代表角量子数，M 代表磁量子数，M_S 代表自旋量子数。这些量子数的取值范围决定了原子的电子排布。

步骤 2：构建 X 星球的周期表
根据量子数的规则，我们可以构建 X 星球的周期表。第一周期的原子有 n=1，L=0，M=0，因此只有一个电子，对应于氢原子。第二周期的原子有 n=2，L=0,1，M=0,±1,±2，因此有 12 个电子，对应于锂、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖、钠、镁、铝、硅。

步骤 3：确定 X 星球的水分子
在 X 星球上，水分子的组成元素需要具有与地球上的氧相似的性质。根据周期表，Mg、Ne、Na 都具有与氧相似的性质，因此 X 星球上的水分子可能是 H_2Mg、H_3Na、H_4Ne。

步骤 4：确定 X 星球的甲烷分子
在 X 星球上，甲烷分子的组成元素需要具有与地球上的碳相似的性质。根据周期表，O 具有与碳相似的性质，因此 X 星球上的甲烷分子可能是 OH_6。

步骤 5：写出甲烷在氧气中燃烧的反应
根据 X 星球上的甲烷分子和氧气分子的组成，我们可以写出甲烷在氧气中燃烧的反应。以 Mg 代替 X 星球上的氧为例，反应式为 OH_6 + 3Mg_2 = OMg_3 + 3H_2Mg。