Question

 2002年伊始第一臺(tái)磁冰箱問世。磁冰箱的概念形成于6年前，美國、中國、西班牙、荷蘭和加拿大都進(jìn)行了研究，最低制冷溫度已達(dá)-140℃，能量利用率已比傳統(tǒng)冰箱高1/3。1997年，美國Ames實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)出磁冰箱原型，其制冷裝置可簡單地用圖表示：

一轉(zhuǎn)輪滿載順磁性物質(zhì)，高速旋轉(zhuǎn)，其一側(cè)有一強(qiáng)大磁場，順磁性物質(zhì)轉(zhuǎn)入磁場為狀態(tài)A，轉(zhuǎn)出磁場為狀態(tài)B，即：

“ ↑ ”表示未成對電子
Ames實(shí)驗(yàn)室的磁制冷物質(zhì)最早為某金屬M(fèi)，后改為其合金，以M₅（Si_xGe_1-x）₄為通式， 最近又研究出了以MA₂為通式的合金，A為鋁、鈷或鎳。根據(jù)原子結(jié)構(gòu)理論，最優(yōu)選的M應(yīng)為元素周期表中第幾號元素？為什么？（可不寫出該元素的中文名稱和元素符號）

Answer 1

M為第64號元素（Gd），因其基態(tài)電子組態(tài)為4f⁷5d¹6s²，未成對電子最多。
【試題分析】
由題意知，M元素原子核外未成對電子數(shù)越多，則越符合做磁冰箱材料的條件。在較常見的元素中，同學(xué)們最容易想到的元素是Cr、Mo，因?yàn)樗鼈兊奶卣麟娮訕?gòu)型分別是3d⁵4s¹與4d⁵5s¹，未成對電子數(shù)是6。但題中又指出“可不寫出該元素的中文名稱和元素符號”，其實(shí)是暗示M是一種不熟悉的元素，要使未成對電子數(shù)超過6，對于訓(xùn)練有素的參賽同學(xué)來說，可以馬上斷定這種不熟悉的元素應(yīng)是鑭系或錒系元素，也即從4f、5f亞層的半充滿狀態(tài)切入，按照構(gòu)造原理，應(yīng)有基態(tài)電子組態(tài)為［Xe］4f⁷5d²¹6s²、［Rn］5f⁷6d¹7s²，即未成對電子數(shù)為8的元素。但［Rn］5f⁷6d¹7s²為放射性元素，作為磁冰箱的材料不妥當(dāng)，故M應(yīng)為第64號元素（Gd）。