物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)題源解密與思維建模

■江西師范大學(xué)附屬中學(xué) 李橋生

近年來,高考化學(xué)考試越來越注重創(chuàng)新,創(chuàng)新題在高考化學(xué)考試中的比例逐漸增加。高考中對物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)板塊的考查年年有變、年年有新,考查考生的綜合素質(zhì),要求考生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)知識、靈活的應(yīng)用能力和深刻的思考能力。本文對物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)高考創(chuàng)新題追根溯源,為考生備考提供指導(dǎo)和實(shí)踐參考。

一、探尋命題規(guī)律,洞悉考查趨勢

結(jié)合近三年的高考試題我們可以發(fā)現(xiàn),物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的考查主要以兩種題型出現(xiàn),即選擇題和非選擇題。其中既有獨(dú)立全面考查,也有分散性、綜合性考查。

隨著新高考的大范圍實(shí)行,最大的變化是在選擇題中出現(xiàn)了考查物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)選修模塊內(nèi)容的試題,且具有一定的分散性,在阿伏加德羅常數(shù)的判斷、有機(jī)物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、元素推斷、反應(yīng)機(jī)理等題目中均會涉及,單獨(dú)考查物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的選擇題主要以分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)內(nèi)容為主,但分析2023年的高考化學(xué)試題可以看出,考查晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的選擇題也開始多了起來,尤其是在主觀題取消了物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模塊試題以后,有關(guān)晶胞結(jié)構(gòu)的考查就可以設(shè)置在選擇題當(dāng)中了,需要引起同學(xué)們的額外重視。關(guān)于元素推斷類題目,命題形式?jīng)]有大的變化,主要變化是將選修模塊內(nèi)容融入到了元素推斷當(dāng)中,如第一電離能、電負(fù)性、核外電子排布、雜化類型、化學(xué)鍵類型、鍵角等知識是?？純?nèi)容。總體而言,有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、元素推斷的選擇題在高考中所占分值大,難度跨度大,涉及知識點(diǎn)多,已經(jīng)成為高考的重點(diǎn)考查內(nèi)容。物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)高頻考點(diǎn)如圖1所示。

圖1

非選擇題中對物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的考查往往更為集中,從試題的構(gòu)成來看,給出一定的知識背景,然后設(shè)置成4～5個小題,每個小題考查一個知識要點(diǎn)是主要的命題模式,內(nèi)容主要考查基本概念,如電子排布式、軌道表示式、電離能、電負(fù)性、雜化方式以及空間構(gòu)型等,也可聯(lián)系有機(jī)化學(xué)考查有機(jī)物中C 原子的雜化,聯(lián)系數(shù)學(xué)幾何知識考查晶體的計算等,一般利用均攤法考查晶胞中的原子個數(shù),或者考查晶體的化學(xué)式的書寫、晶體類型的判斷等。不過近年高考題中也有將物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)相關(guān)知識的考查分散融入到化工流程、反應(yīng)原理、有機(jī)流程推斷等經(jīng)典題型中進(jìn)行考查。

二、例談高考真題,追溯題源

1.立足教材,加強(qiáng)教考銜接。

2023年高考全國卷化學(xué)選擇題中物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)考查情況如表1所示。

表1

2023 年高考全國卷化學(xué)非選擇題中物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)考查情況如表2所示。

表2

基于對2023 年高考化學(xué)全國卷物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)相關(guān)試題的分析,我們不難發(fā)現(xiàn)高考均是按照高中化學(xué)的課程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行命題的,重視教材,突出化學(xué)主干知識的考查。

例1中國科學(xué)家首次成功制得大面積單晶石墨炔,是碳材料科學(xué)的一大進(jìn)步。

下列關(guān)于金剛石、石墨、石墨炔的說法正確的是( )。

A.三種物質(zhì)中均有碳碳原子間的σ鍵

B.三種物質(zhì)中的碳原子都是sp3雜化

C.三種物質(zhì)的晶體類型相同

D.三種物質(zhì)均能導(dǎo)電

答案：A

該試題涉及化學(xué)鍵、晶體類型、雜化方式等知識。其中金剛石和石墨是教材中重點(diǎn)介紹的典型晶體和材料,體現(xiàn)了化學(xué)的學(xué)科價值,引導(dǎo)考生從基礎(chǔ)化學(xué)知識的角度去觀察思考新事物、新技術(shù)、新方法,落實(shí)高考評價體系中的創(chuàng)新性考查要求。

現(xiàn)行教材物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)板塊有關(guān)金剛石和石墨的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2

2.打通模塊,凸顯學(xué)科思維。

從化學(xué)學(xué)科體系來看,化學(xué)的核心思維就是“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì),性質(zhì)決定用途”。因此,物質(zhì)結(jié)構(gòu)是化學(xué)的基礎(chǔ),對促進(jìn)其他模塊如有機(jī)化學(xué)、反應(yīng)原理的深度學(xué)習(xí)和體系重構(gòu)有著無可替代的作用。

例2在光照下,螺吡喃發(fā)生開、閉環(huán)轉(zhuǎn)換而變色,過程如下。下列關(guān)于開、閉環(huán)螺吡喃說法正確的是( )。

A.均有手性

B.互為同分異構(gòu)體

C.N 原子雜化方式相同

D.閉環(huán)螺吡喃親水性更好

解析：在傳統(tǒng)的有機(jī)試題中融入對結(jié)構(gòu)的考查,手性是碳原子上連有四個不同的原子或原子團(tuán),因此閉環(huán)螺吡喃含有手性碳原子如圖所示,,開環(huán)螺吡喃不含手性碳原子,故A 項(xiàng)錯誤。根據(jù)它們的結(jié)構(gòu)簡式,分子式均為C19H19NO,它們結(jié)構(gòu)不同,因此互為同分異構(gòu)體,故B 項(xiàng)正確。閉環(huán)螺吡喃中N 原子雜化方式為sp3,開環(huán)螺吡喃中N 原子雜化方式為sp2,故C 項(xiàng)錯誤。開環(huán)螺吡喃中氧原子顯負(fù)價,電子云密度大,容易與水分子形成分子間氫鍵,水溶性增大,因此開環(huán)螺吡喃親水性更好,故D 項(xiàng)錯誤。

答案：B

3.關(guān)注學(xué)科融合,考查綜合能力。

命題一般采取新科技、新能源等社會熱點(diǎn)為背景,主要考查原子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、分子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)和晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。

例3鑭La和H 可以形成一系列晶體材料La Hn,在儲氫和超導(dǎo)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。La Hn屬于立方晶系,晶胞結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖3 所示。高壓下,La H2中的每個H 結(jié)合4個H 形成類似CH4的結(jié)構(gòu),即得到晶體La Hx。下列說法錯誤的是( )。

圖3

A.La H2晶體中La的配位數(shù)為8

B.晶體中H 和H 的最短距離:La H2＞La Hx

C.在La Hx晶胞中,H 形成一個頂點(diǎn)數(shù)為40的閉合多面體籠

D.La Hx單位體積中含氫質(zhì)量的計算式為

解析：由La H2的晶胞結(jié)構(gòu)可知,La位于頂點(diǎn)和面心,晶胞內(nèi)8 個小立方體的中心各有1個H 原子,若以頂點(diǎn)La研究,與之最近的H 原子有8個,則La的配位數(shù)為8,故A項(xiàng)正確。由La Hx晶胞結(jié)構(gòu)可知,每個H 結(jié)合4個H 形成類似CH4的結(jié)構(gòu),H 和H 之間的最短距離變小,則晶體中H 和H 的最短距離:La H2＞La Hx,故B 項(xiàng)正確。由題干信息可知,在La Hx晶胞中,每個H 結(jié)合4個H形成類似CH4的結(jié)構(gòu),這樣的結(jié)構(gòu)有8 個,頂點(diǎn)數(shù)為4×8=32,且不是閉合的結(jié)構(gòu),故C項(xiàng)錯誤。1個La Hx晶胞中含有5×8=40個H 原子,含H 質(zhì)量為g,晶胞的體積為(484.0×10-10cm)3=(4.84×10-8)3cm3,則La Hx單位體積中含氫質(zhì)量的計算式為,故D項(xiàng)正確。

答案：C

晶胞的有關(guān)計算基本是物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模塊必考的內(nèi)容,近年來高考試題往往通過數(shù)學(xué)的“三視圖”“投影圖”進(jìn)行晶胞信息呈現(xiàn),對考生的數(shù)理思維、立體空間感等綜合能力要求較高。

三、構(gòu)建思維模型,提升學(xué)科素養(yǎng)

物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的試題命制內(nèi)容有的較為基礎(chǔ),主要考查考生對基礎(chǔ)知識理解與掌握的水平,屬于得分點(diǎn),必須保證高效順利拿分。而對于復(fù)雜情境下的區(qū)分性試題,更需強(qiáng)化思維模型,抽絲剝繭,把握關(guān)鍵要素,由低級的表征知識逐漸深入,有效遷移,形成知識的內(nèi)化,使瑣碎的化學(xué)知識做到形散而神不散的狀態(tài)。

對于近年來的核心考點(diǎn),如比較電離能大小、價層電子對對數(shù)判斷方法、比較鍵角大小、比較晶體熔沸點(diǎn)大小、晶胞配位數(shù)的判斷、晶胞原子投影規(guī)律等,我們有必要進(jìn)行思維建模。以晶胞原子投影規(guī)律為例:

1.必備跨學(xué)科知識整理,增強(qiáng)立體空間想象能力。

2.熟悉經(jīng)典案例,立足試題本源。

3.厘清位置關(guān)系,警示易錯情況。

(1)投影在矩形的頂點(diǎn),原子可能在立方晶胞的頂點(diǎn),或立棱的棱心。

(2)投影在邊的中心,原子可能在立方晶胞的面心,或上下面的棱心。

(3)投影在矩形中心,原子可能在上下面的面心,或晶胞的體心。

(4)投影在正方形均分為四個小正方形的中心,原子在晶胞內(nèi)部四面體4個或8 個正四面體空隙。