陌生物質化學式推斷題的試題類型及解題模型

浙江 俞真蓉

浙江選考中出現的無機推斷題，考查陌生物質的化學式推斷，已與高考其他省份的試題有較大差異，試題多以小流程形式呈現。該題型常以物質的組成及反應產物的探究為背景，濃縮了元素及其化合物的知識，具有鮮明的化學學科特點，此類試題涉及的試題情境廣，具有可考查內容多且容易控制卷面難度的題型特點，成了選考試題中一種十分重要的題型。

分析和解決此類試題需要學生將所學的化學學科知識與題給流程信息相融合，對學生綜合應用化學知識的能力要求高，試題區分度較大。本文試從解題基礎、推理模型、試題類型三個維度深度梳理陌生物質化學式推斷題，提高學生對此類試題的分析與解決能力，培養學生化學學科思維的有序性、邏輯性、嚴密性和科學性，提升學生運用化學知識解決實際問題的能力，體現了化學學科核心素養“證據推理與模型認知”的價值。

1.解題基礎

陌生物質化學式推斷題是將基本概念、基本理論、元素單質及其重要化合物的知識與化學實驗及簡單計算有機結合的綜合題型，該題解題時遵循瀏覽、整體掃描、把握信息(如“常見”“過量”等關鍵字眼)三個步驟，依物質的特性或特征轉化來確定“突破口”，結合實驗數據定量分析，進而完成全部未知物的推斷。

1.1 必備知識

必備知識是學習者在面對與化學學科相關的生活實踐或學習探索問題情境時，能夠高質量地認識問題、分析問題和解決問題必備的知識。

1.1.1 具有一定特征的物質

(1)固體類

(淡)黃(棕)色固體：Na2O2、S、FeCl3；

黑色固體：MnO2、C、CuO、FeO、Fe3O4；

紫(黑)色固體：KMnO4、I2；

紅色固體：Cu；

綠色固體：Cu2(OH)2CO3。

(2)氣體類

有色氣體：NO2(紅棕色)、F2(淺黃綠色)、Cl2(黃綠色)；

無色有刺激性氣味氣體：SO2、NH3、HX(X為鹵族元素)；

無色無味氣體：H2、N2、O2、CO2、CO、CH4、NO。

(4)Br2在水中顯黃(橙)色，在有機溶劑中顯橙(紅)色；I2在水中顯黃(褐)色，在有機溶劑中顯紫(紅)色。

(5)沉淀類

白色沉淀：H2SiO3、AgCl、BaSO4、BaSO3、Mg(OH)2、Fe(OH)2、Al(OH)3、BaCO3、CaCO3、CaSO3、MgCO3等；

(淡)黃色沉淀：AgBr、AgI、S；

紅褐色沉淀：Fe(OH)3；

藍色沉淀：Cu(OH)2；

紅色沉淀：Cu2O。

1.1.2 具有特殊狀態的物質

(1)常溫下呈液態的特殊物質：Br2(非金屬單質)、Hg(金屬單質)、H2O、H2O2等。

(2)易升華的物質：I2。

1.1.3 具有特殊現象的反應

(1)燃燒：H2與Cl2反應有蒼白色火焰；C2H2(C6H6)與O2反應有明亮火焰并伴有大量黑煙；Al與O2、Mg與O2反應有耀眼白光，有白色固體生成。

(2)淀粉遇碘變藍，蛋白質遇濃硝酸變黃。

(3)使濕潤紅色石蕊試紙變藍的氣體是NH3，使品紅溶液褪色的氣體是Cl2、SO2等。

(4)在空氣中由無色變為紅棕色氣體的是NO。

(5)Fe3+遇OH-生成紅褐色沉淀，遇苯酚顯紫色，遇SCN-顯血紅色。

(6)Fe2+遇OH-生成白色沉淀，白色沉淀迅速變成灰綠色，最后變成紅褐色；Fe2+遇SCN-無明顯現象，在通入Cl2后溶液顯血紅色。

(8)既能與酸反應又能與堿反應并產生氣體的物質：Al、弱酸的銨鹽(碳酸銨、硫化銨等)、弱酸的酸式銨鹽(碳酸氫銨、硫氫化銨等)。

(9)焰色試驗：很多金屬或它們的化合物在灼燒時都會使火焰呈現出特征顏色，一些金屬的焰色如表1所示。

表1

(10)燃燒能生成煙：Na在氯氣中燃燒生成白煙，Fe在氯氣中燃燒生成紅棕色煙，Cu在氯氣中燃燒生成棕黃色煙。

1.1.4 需要特殊反應條件的反應

(1)“催化劑”：無機化學反應需要的催化劑不同，但是根據“催化劑”這一條件，可把氯酸鉀分解、雙氧水分解、工業合成氨、SO2催化氧化、氨催化氧化聯系起來，形成知識鏈。

(2)“通電”或“電解”：可以鎖定在電解水、氯化鈉、氯化鎂、氯化銅、硫酸銅、硝酸鹽等溶液、熔融氯化鈉和氧化鋁的范圍內。

(3)“高溫”：常見的有碳酸鈣分解、SiO2和C的置換反應、制造普通玻璃的反應、鋁熱反應等。

1.1.5 具有特殊用途的物質

(1)制造光導纖維的原料是SiO2；

(2)制造太陽能電池板的材料是Si；

(3)MgO、Al2O3可用作耐高溫材料；

(4)能用作紅色油漆的顏料中含有Fe2O3；

(5)可作制冷劑的物質是液氨或液氮；

(6)能作供氧劑的物質是Na2O2；

(7)用于治療胃酸過多的物質可能是NaHCO3或Al(OH)3；

(8)治療缺鐵性貧血藥物的物質是FeSO4；

(9)高效安全滅菌消毒劑是ClO2；

(10)用于自來水消毒或生成漂白粉的氣體是Cl2。

1.1.6 具有特殊摩爾質量的物質

(1)氧化物：Na2O2—78 MgO—40 CaO—56

Al2O3—102 SiO2—60 FeO—72 Fe2O3—160

Fe3O4—232 CuO—80 Cu2O—144 SO2—64

SO3—80 CO—28 CO2—44

(2)氫化物：H2S—34 HCl—36.5

(3)氫氧化物：Mg(OH)2—58 Al(OH)3—78

Cu(OH)2—98 H2SiO3—78

(4)鹽：Na2CO3—106 NaHCO3—84 CuSO4—160

CuSO4·5H2O—250 CaCO3—100 BaCO3—197

BaSO4—233 AgCl—143.5

1.2 關鍵能力

關鍵能力是指學習者初步運用化學視角和化學原理去觀察和解決生活、生產和社會現象中某些化學問題的能力。《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》指出，學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。《2018年普通高等學校招生全國統一考試(總綱)》同樣明確“必備知識、關鍵能力、學科素養、核心價值”四層考查內容。

浙江選考對于化學學科的考查，注重在與化學學科相關的生活實踐或學習探索的問題情境中，從化學語言及應用能力、化學方法及分析能力、化學實驗及研究能力、化學原理及推理能力和化學計量和計算能力等五個方面考查考生的學科核心素養。

在掌握解題必備知識的基礎上，本題型的考查重點是化學方法及分析能力，解題問題的關鍵是采用定性和定量相結合的方式，通過守恒思想以及快速和準確的計算來確定陌生物質中所含元素的物質的量，以此求得各種元素的物質的量之比，具體如下：(1)質量守恒；(2)元素守恒；(3)得失電子守恒(氧化還原反應)；(4)電荷守恒(電解質溶液)。

2.推理模型

試題的命制涉及立意、情境和設問三個要素。立意是試題所要考査的目標，情境是實現立意的材料和介質，設問是考査的呈現形式。“陌生物質化學式推斷題”的情境與化學基本概念、基本理論、元素單質及其重要化合物知識以及化學實驗及簡單計算有機結合起來，對學生的學科能力也提出了更高的要求。試題設問方式多為陌生物質化學式的判斷以及信息型化學方程式的書寫，思維要求高、能力要求高，試題難度大，筆者基于教學實踐，總結了如圖1推理模型：

圖1

定性分析環節：推斷題思維過程的起點是該流程中顯現的最顯著的特征，依據題給條件、現象推斷出流程中的相關物質，根據守恒思想，即可確定陌生物質所含的元素種類。

定量計算環節：推斷題思維過程的展開，在確定了陌生物質所含的元素種類的基礎上，根據守恒思想(質量守恒、元素守恒、得失電子守恒和電荷守恒等)，計算得出相關元素的物質的量和各原子的個數比，從而確定陌生物質的化學式。

3.試題類型

3.1 熱分解反應類型

【例1】為探究固體化合物X(僅含四種元素)的組成和性質，某同學設計并完成如圖2實驗。

圖2

請回答：X的化學式是________。

【答案】3CuO·H2O·2CO2或Cu3(OH)2(CO3)2或Cu(OH)2·2CuCO3

第二步進行定量計算環節，確定陌生物質的化學式：

根據質量守恒定律，可以求出CO2的物質的量為0.02 mol，黑色化合物CuO的物質的量為0.03 mol，H2O的物質的量為0.01 mol，

質量守恒：3.46 g=2.40 g+0.18 g+0.88 g

元素守恒： 0.03 mol 0.01 mol 0.02 mol

物質的量之比： 3 ∶ 1 ∶ 2

則X的化學式為

(1)氧化物的形式：3CuO·H2O·2CO2

(2)鹽的形式：Cu3(OH)2(CO3)2或Cu(OH)2·2CuCO3。

3.2 與氧氣反應類型

【例2】已知化合物X、A均為紅色固體，X含有四種元素，氣體單質H密度為1.25 g·L-1(標準狀況下)。流程中每一步反應試劑均過量且完全反應。

圖3

請回答：固體X與足量氧氣反應的化學方程式：____________________。

第二步進行定量計算環節，確定陌生物質的化學式：8.0 g Fe2O3的物質的量為0.05 mol；30.0 g的CaCO3的物質的量為0.3 mol，依據定量關系：CO2～CaCO3，CO2的物質的量為0.3 mol；69.9 g的BaSO4的物質的量為0.3 mol，依據定量關系：SO2～BaSO4，SO2的物質的量為0.3 mol。

根據質量守恒定律，可列下列等式：

質量守恒：23.0 g=5.6 g+9.6 g+3.6 g+4.2 g Fe S C N

元素守恒： 0.1 mol 0.3 mol 0.3 mol

0.3 mol

物質的量之比： 1 ∶ 3 ∶ 3 ∶ 3

3.3 與氫氣反應類型

【例3】(2019·浙江4月選考·27節選)固體化合物X由三種元素組成。某學習小組進行了如圖4實驗：

圖4

請回答：X的化學式是________。

【答案】NaCuO2

【分析】依據推理模型，第一步進行定性分析環節，推斷出陌生物質的組成元素：從題給的流程推斷可知，固體化合物X在干燥的H2中反應生成能使白色CuSO4變藍色的氣體，可推測為水蒸氣，說明X中含有氧元素；固體混合物Y加水溶解得到1.28 g紫紅色固體單質，該單質為Cu；得到的堿性溶液的焰色反應呈黃色，說明該堿性溶液中存在Na+；又因固體化合物X由三種元素組成，則三種元素分別為O、Cu、Na。

第二步進行定量計算環節，確定陌生物質的化學式：1.28 g紫紅色固體單質Cu的物質的量為0.02 mol；該堿性溶液為NaOH溶液，與HCl恰好中和時消耗0.020 0 mol HCl，說明NaOH的物質的量為0.020 0 mol，固體X中含有鈉元素的質量為0.46 g，

根據質量守恒定律，可列出下列等式：

質量守恒：2.38 g=0.46 g+1.28 g+0.64 g

Na Cu O

元素守恒： 0.02 mol 0.02 mol 0.04 mol

物質的量之比： 1 ∶ 1 ∶ 2

則X的化學式為NaCuO2

3.4 與酸反應類型

【例4】(2020·浙江7月選考·28節選)化合物X由四種短周期元素組成，加熱X，可產生使濕潤的紅色石蕊試紙變藍的氣體Y，Y為純凈物；取3.01 g X，用含HCl 0.060 0 mol的鹽酸完全溶解得溶液A，將溶液A分成A1和A2兩等份，完成如圖5實驗(白色沉淀C可溶于NaOH溶液)：

圖5

請回答：X的化學式是________。

【答案】AlCl3NH3

質量守恒：3.01 g=0.54 g+2.13 g+0.28 g+0.06 g

Al Cl N H

元素守恒： 0.02 mol 0.06 mol 0.02 mol

0.06 mol

物質的量之比： 1 ∶ 3 ∶ 1 ∶ 3

故X的化學式為AlCl3NH3。

3.5 與堿反應類型

【例5】(2021·浙江6月選考·28節選)固體化合物X由三種元素組成，某學習小組開展如圖6探究實驗。

圖6

其中，白色沉淀B能溶于NaOH溶液。

請回答：化合物X的化學式是________。

【答案】CuAl2Cl8

【分析】依據推理模型，第一步進行定性分析環節，推斷出陌生物質的組成元素：從題給流程推斷可知，白色沉淀B能溶于NaOH溶液，則B是Al(OH)3，可推測C為Al2O3；根據藍色溶液D，確定存在Cu2+；根據白色沉淀E，可確定存在Cl-；所以組成X的元素有Al、Cu和Cl。

質量守恒：4.020 g = 0.540 g+2.840 g+0.640 g

Al Cl Cu

元素守恒： 0.02 mol 0.08 mol

0.01 mol

物質的量之比： 2 ∶ 8 ∶ 1

故X的化學式為CuAl2Cl8。

3.6 解題模式

由上述例題的分析可知，陌生物質化學式推斷題的解題模式有兩種，分別適用于不同類型的試題。

(1)試題類型屬于熱分解反應，宜采用解題模式1：

(2)試題類型屬于氧化還原反應和復分解反應，宜采用解題模式2：

4.教學反思

陌生物質化學式推斷題型復雜，思維容量大。因此，在“陌生物質化學式推斷題”的教學中，合理分類試題類型、應用相匹配的解題模式，有利于提高學生解決此類試題的能力，培養學生化學思維的有序性、邏輯性、嚴密性和科學性。