2001-2010年全國高中學生化學競賽(初賽)有機化學試題分析

朱彬,趙從軍

(遵義師范學院化學系,貴州遵義563002)

自1984年中國化學會組織全國中學生化學競賽至今,全國中學生化學競賽已經舉辦了24屆。全國中學生化學競賽的開展,在普及化學基礎知識,提高青少年學習化學的興趣,加深對化學知識的理解,提高靈活運用化學知識的能力,激發和培養中學生的思考與創造能力,推動中學素質教育等方面起到了非常的重要作用,同時也為國內高校選拔了大批化學專業的拔尖人才。全國中學生化學競賽是中學化學教學中培養尖子學生的一條重要途徑,是化學學科面向全體、重視個體差異的重要體現。因此分析研究近年的競賽試題,無論是對做好競賽的培訓工作還是正確把握試題的發展方向都有積極的意義。

從近10年全國高中生化學競賽(初賽)試題的特點來看,試題都是以“全國高中學生化學競賽基本要求[1]”來命制的。試題力圖使參賽選手在知識、能力和素質方面獲得提高。競賽的每個環節都盡量創造條件,使選手接觸最新科技發展成果,獲得最新概念,同時引導學生深入思考,鼓勵他們創造性地學習,包括對已掌握的非化學知識的應用；開發青少年學生的潛力和學習能力,使他們加強進取和競爭意識,培養思維和工作的準確性、持久性、創造性以及強烈的社會責任感和敬業精神[2]。分析2001—2010年全國高中學生化學競賽(初賽)有機化學試題可以發現,試題涵蓋的知識面寬、層次深,難度大,有利于培養學生將所學知識與生產生活實際相結合,有利于培養學生良好的科學素養。試題內容包括系統命名、結構推導、同分異構體的書寫、立體化學、反應歷程、烴的衍生物的性質和衍變關系、有機化學中各類有機物的基本物理、化學性質等,試題題型創造性強,重點考察學生運用所學知識解決實際問題的能力。

1 試題結構分析

從2001—2010年全國高中學生化學競賽(初賽)試題來看,試題內容涵蓋了無機化學、有機化學、分析化學、物理化學、結構化學五個化學主干學科。考察的試題均以主觀題的形式呈現,卷面總分為100分。試題題量比較穩定,一般為12題左右(見表1),有機化學試題一般出現在試卷的后半部分。縱觀這十年的試題,五個主干學科所占的分值比例見表2。

表1 2001-2010年全國高中學生化學競賽(初賽)試題數

表2 2001-2010年全國高中學生化學競賽(初賽)各學科試題所占分值

從表1可以看出,2001、2002、2004年題量最大,共有13個大題,而在2005和2009兩年,均只有10個大題。通過表2可以看出,有機化學在競賽試題中所占的比例最大,這可能是因為：在人類已知的化合物中,有機化合物占了絕大多數,與生命活動密切相關的有機化合物廣泛存在于人類居住的地球上,使地球充滿生機與活力,近年來,新合成的有機化合物數以千萬計,極大地豐富了我們的物質世界,滿足了日益增長的社會需要,提高了人們對物質及其變化規律的認識。當今,有機化合物的應用已深入到人類生活的各個領域。

2 試題特點

2.1 題量相對穩定,難度略有增加

每年的有機化學試題總體在題型、題量方面幾乎相近,基礎性較強,難度略有增加,一些試題的水平要求較高。從試題本身來看,既保留了優秀的傳統題目,又突出了環保、化學用語、實驗中的思維能力等方面的考查。整體看有機化學試題的難度控制較好,試題的區分度較高,因而保持了很好的相對穩定性。

(2002·8①2002·8指2002年全國高中學生化學競賽初賽試題第8題，下同。)化合物A和B的元素分析數據均為C 85.71%,H 14.29%。質譜數據表明A和B的相對分子質量均為84。室溫下A和B均能使溴水褪色,但均不能使高錳酸鉀溶液褪色。A與HCl反應得2,3－二甲基－2－氯丁烷,A催化加氫得2,3－二甲基丁烷；B與HCl反應得2－甲基－3－氯戊烷,B催化加氫得

2,3 －二甲基丁烷。

(1)寫出A和B的結構簡式。

(2)寫出所有與A、B具有相同碳環骨架的同分異構體,并寫出其中一種異構體與HCl反應的產物。

該題考察了運用元素的百分含量和相對分子質量來推導化合物的分子式,進而利用環丙烷衍生物的加成反應來推導化合物的結構式。如果學生掌握了環丙烷加成反應的有關知識,便能正確解答試題。

(2007·10)尿素受熱生成的主要產物與NaOH反應,得到化合物A(三鈉鹽)。A與氯氣反應,得到化合物B,分子式C3N3O3Cl3。B是一種大規模生產的化工產品,全球年產達40萬噸以上,我國年生產能力達5萬噸以上。B在水中能持續不斷地產生次氯酸和化合物C,因此廣泛用于游泳池消毒等。

(1)畫出化合物A的陰離子的結構式。

(2)畫出化合物B的結構式并寫出它與水反應的化學方程式。

(3)化合物C有一個互變異構體,給出C及其互變異構體的結構式。

(4)寫出上述尿素受熱發生反應的配平方程式。

此題考察了加熱條件下尿素分子間脫氨生成環狀三聚氰酸的反應,要求考生不僅能正確寫出產物的酮式結構,而且能將酮式結構轉變成醇式異構體,方能正確畫出化合物A的陰離子的結構式。與上一題相比較,此題難度明顯加大,對能力的要求更高,學生必須具有一定的發散性思維能力方能正確解答,這也正是全國高中學生化學競賽的目的所在。

2.2 試題新穎、真實化,命題素材源于生產生活

當今世界正面臨環境日益惡化、能源短缺、生態平衡遭到破壞、食品安全等一系列問題,競賽命題常以此為設問對象,要求考生運用化學知識去分析、去評價,以此達到宣傳和教育的目的。

(2002·7)據報道,我國醬油出口因“氯丙醇”含量超標而受阻。

(1)據研究,醬油中的“氯丙醇”的來源可能是醬油原料中的雜質脂肪水解產物甘油的羥基被氯取代的衍生物；另一來源可能是用離子交換樹脂純化水配制醬油,由于交換樹脂采用1,2－環氧－3－氯丙烷(代號A)作交聯劑,殘留的A水解會產生“氯丙醇”；此外,A還可能來自包裝食品的強化高分子材料。試寫出由甘油得到的“氯丙醇”的結構簡式和A水解的反應方程式,反應涉及的有機物用結構簡式表示。

(2)在同一個碳上同時有2個羥基或者一個羥基和一個氯原子的“氯丙醇”是不穩定的,在通常條件下會發生消除反應,請給出2個反應方程式作為例子。

(2010·10)灰黃霉素是一種抗真菌藥,可由A和B在三級丁醇鉀/三級丁醇體系中合成,反應式如圖1：

圖1 2010年10題反應式

(1)在下面灰黃霉素結構式中標出不對稱碳原子的構型。

圖2 2010年10題物質結構圖

(2)寫出所有符合下列兩個條件的B的同分異構體的結構簡式：

1)苯環上只有兩種化學環境不同的氫；2)分子中只有一種官能團。

(3)寫出由A和B生成灰黃霉素的反應名稱。

近年來的競賽試題,充分體現了化學學科的特點。以實際情景為依托,融有機化學重難點理論、有機化學基礎知識為一體的考察方式,在內容選擇上,積極關注與化學相關的社會熱點問題,力求反映現代化學研究的最新成果,選材新穎而又貼近學生生活實際,內容涉及環境保護、食品安全、藥物合成、新型高分子材料、能源等領域,充分體現了化學的應用價值,易使學生形成認同化學、喜愛化學的真切感受。

2.3 加強學生創新精神和創造能力的培養

素質教育的核心是培養學生的創新精神和創造能力,創新精神是一個國家和民族發展的不竭動力。創新精神的核心是創造性的科學思維,它是創造能力的催化劑。創造性思維的特點是敢于想象,思維具有發散性,有獨特的知識結構以及活躍的靈感,因此培養學生的創造性思維能力是培養創新人才、全面實施素質教育的根本要求。

(2003·1)二戰期間日本是在戰場上唯一大量使用毒氣彈的國家,戰爭結束日軍撤退時,在我國秘密地遺棄了大量未使用過的毒氣彈,芥子氣是其中一種毒氣。芥子氣的分子式為(ClCH2CH2)2S。人接觸低濃度芥子氣并不會立即感受痛苦,然而,嗅覺不能感受的極低濃度芥子氣已能對人造成傷害,而且,傷害是慢慢發展的。

(1)用系統命名法命名芥子氣。

(2)芥子氣可用兩種方法制備。其一是ClCH2CH2OH與Na2S反應,反應產物之一接著與氯化氫反應；其二是CH2=CH2與S2Cl2反應,反應物的摩爾比為2:1。寫出化學方程式。

(3)用堿液可以解毒。寫出反應式。

(2007·1)2003年5月報道,在石油中發現了一種新的烷烴分子,因其結構類似于金剛石,被稱為“分子鉆石”,若能合成,有可能用做合成納米材料的理想模板。該分子的結構簡圖如圖3：

圖3 2007年1題物質結構圖

(1)該分子的分子式為；

(2)該分子有無對稱中心？；

(3)該分子有幾種不同級的碳原子？；

(4)該分子有無手性碳原子？；

(5)該分子有無手性？。

競賽試題往往將往年的“熟題”和“成題”進行改造形成新的試題。命題者一般從設問方式、障礙設置、考查內容等方面進行改造,以達到推陳出新的目的。因此在平時訓練中,教師應從不同角度對試題進行全面分析,使學生對同一知識點或方法作多角度的分析和思考,全面的理解其內涵和外延,提高學生的學習能力。必須加強學生收斂思維和發散思維、正向思維和逆向思維、辯證思維等的培養,使學生能夠結合自己已有的基礎知識解答試題。如以上兩題,系統命名、分子式的確定、對稱性判斷、手性判斷都是屬于常考的題型,它要求學生具備靈活運用所學基本知識創建未知知識的能力,同時還考察了學生面對陌生知識的心理承受能力和應變能力。中學化學教學承擔著培養學生科學創新精神和創新能力的重任,學生科學創新精神和創新能力培養的基礎是學生的創造性思維,而學生創造性思維能力的培養要依賴于創造性的教學[3]。

2.4 加強學科綜合,突出學科能力

有機化學是一個充滿生機的領域,新的研究成果不斷涌現,因此在競賽試題中也不斷出現新研究成果的試題。這類試題都以有機合成路線的方式作題面,在2004年以前多以有機合成反應式加方框圖的形式出現,從2004年以后將試題中的方框用A、B、C等英文字母代替,主要要求考生根據提供的反應式(反應條件)寫出反應中空缺的反應物(產物、反應條件),在近十年的競賽試題中有8年出現了這類試題(見表3),是競賽試題中最常見的題型。此類試題能夠全面考查學生對所掌握的有機化學知識的綜合應用能力,因此所占分值比例也較大。

表3 2001-2010年全國高中學生化學競賽(初賽)以有機合成路線作題面的試題及分值

(2001·9)1997年BHC公司因改進常用藥布洛芬的合成路線獲得美綠色化學挑戰獎：

舊合成路線見圖4：

圖4 布洛芬舊合成路線

新合成路線見圖5：

圖5 布洛芬新合成路線

(1)寫出A、B、C、D的結構式(填入方框內)。

(2)布洛芬的系統命名為：。

(2008·11)1941年從貓薄荷植物中分離出來的荊芥內酯可用作安眠藥、抗痙攣藥、退熱藥等。通過荊芥內酯的氫化反應可以得到二氫荊芥內酯,后者是有效的驅蟲劑。為研究二氫荊芥內酯的合成和性質,進行如圖6的反應：

圖6 2008年11題反應式

寫出A、B、C、D和E的結構簡式(不考慮立體異構體)。

以上兩題均屬以有機合成路線作題面的試題,是利用框圖的結構與給出的條件做邏輯推理。此類試題難度較大,考查的有機反應類型較多,學生需要較為全面的掌握有機化學基本反應,才能正確解答。如2001年第9題題中的Friedel-Craf ts反應,Dazen反應均為大學有機化學的知識點。這類試題對于應試者為高中學生來說,雖有一定的難度,但也決不是束手無策。此類試題可利用逆合成原理,命題者在命制此類題時,常常把其中一步(或幾步)關鍵步驟模糊化,好像是拆了橋,卻留下橋墩。只要解題者根據題中所給出的新信息重新搭起橋,就能順利將題解出[4]。只要學生能全面把握框圖的結構,熟練掌握官能團之間的相互轉化關系,通過已知物、反應條件等就可推導出未知物。

(2006·10)以氯苯為起始原料,用最佳方法合成1-溴-3-氯苯(限用具有高產率的各反應,標明合成的各個步驟)。

這是一道典型的有機合成題,是競賽試題中的新題型,對于不太熟悉有機合成設計技巧的中學生來說,難度很大。它不僅要求學生要熟悉有機化學的基本反應,熟練掌握官能團的相互轉換,而且還要掌握有機合成設計的一些方法和技巧,具備一定逆合成分析的能力,方能按試題的要求用最少的步驟和高產率的反應設計出合成路線。如上題中定位基團氨基的引入、保護和脫去都是此題的難點。這類試題在近十年的試卷中只出現過一次,今后是否還會出現還有待進一步的觀察。

3 結語

化學競賽是以課外活動對課堂知識作適當補充為基礎的,只靠中學化學大綱進行的課堂教學是難以在競賽中取得優勝的。因此,在課外補充化學知識顯得格外重要,學生應該在課外活動中盡量補充大學化學的基礎知識,我們既不應該要求競賽的知識儲備跟大學化學完全相同,也不應該只局限于中學化學的知識水平,這里存在一個度的問題,只有把握好“度”的原則,才能使教學獲得良好效果,也才能使學生學有所得,如何把握這個“度”需要參加競賽輔導教師的共同努力。對于高中學生化學競賽現在有二種不同的觀點,一種是以中學化學大綱的知識點為背景出題；另一種是以盡量高的知識水平為背景進行命題；綜合起來,盡量往中學化學水平上靠最好,但是絕不可能只按中學化學水平進行競賽,原因是我國的中學化學教育水平(指作為升學預備教育的化學課程的知識水平)比國際中學化學教育的水平低；從“面向世界”的角度著眼,只在中學化學知識基礎上展開化學競賽是不可行的,我們努力發展的是高智力型的化學競賽,這種高智力型的競賽,應該作為課堂教學的延伸和補充。總之,新課程改革下的化學競賽復習備考,需要研究化學競賽試題的命題特點,認清競賽試題的命題意圖和規律。只有明確教師輔導和學生復習的方向,才能使教師不斷提升自身的教學輔導水平,學生不斷提高學習的效率。教師在輔導過程中還要注重夯實基礎,聯系生活實際,關注熱點問題,切實鍛煉和提高應試者運用知識的能力,只有這樣,應試者才能在化學競賽中獲得優異成績,教師才能為祖國培養出更多棟梁之才。

[1] 中國化學會科學普及工作委員會.全國高中學生化學競賽基本要求(2008年4月修訂)[EB/OL].http://www.ccs.ac.cn/news/?hid=117,2011-07-10.

[2] 國際化學奧林匹克競賽史[EB/OL].http://news.fudan.edu.cn/2006/0113/8349.html,2011-05-18.

[3] 袁曉春.論中學化學教學中學生創造性思維的培養[J].昭通師范高等專科學報,2004,(2):71-76.

[4] 陳進前.新型有機試題的解答策略[J].考試(高考語文版),2002,(10):43-45.