立足基礎,體現能力,注重創新
——以元素推斷題為例

賴小海

(江西省新余市第四中學)

元素推斷題是高考必考內容,試題往往以元素及其化合物的結構和性質為突破口進行元素推斷,然后綜合考查元素周期律、常見物質的性質、化學鍵等.試題題型主要為選擇題,以中等難度為主.考查的核心素養以宏觀辨識與微觀探析為主.其主要的考點有:

1)比較氣態氫化物的穩定性;

2)比較原子或離子半徑的大小;

3)比較物質的熔、沸點高低;

4)比較元素的金屬性或非金屬性的強弱;

5)比較物質的氧化性或還原性的強弱;

6)比較最高價氧化物對應的水化物的酸性或堿性的強弱;

7)確定物質所含的化學鍵或化合物類型;

8)判斷元素所形成的物質所具有的物理或化學性質;

9)物質的熱重分析.

元素推斷題一般以元素周期表和周期律為基礎,對元素及其化合物的性質、結構進行綜合推斷和應用,立足基礎,體現能力,同時注重試題的創新,常見的題型有以下幾種.

1 以結構、性質、位置為切入點的元素推斷題

描述式元素推斷題主要是以元素及其化合物的一些特殊的性質、結構、位置為切入點進行元素推斷,再根據元素周期表和周期律及元素化合物知識對物質的性質做出判斷,側重考查學生對知識的分析、應用能力.由此類試題命題切入點可以得到的啟示是“構、位、性”三者都可以成為推斷元素的突破口,它們相互依存,也都可以成為相互考查的條件或結論.常見的信息有:

1)短周期主族元素Z 的最高價氧化物對應的水化物是三元酸,則Z是P;

2)向短周期主族元素R 的鹽溶液中滴加鹽酸,先產生白色沉淀,后沉淀溶解,則R 是Al;

3)短周期主族元素X 的最外層電子數與次外層電子數相等,則X 為Be;

4)短周期主族元素X 的最外層電子數是次外層電子數的2倍,則X 為C;

5)短周期主族元素X 的最外層電子數是次外層電子數的3倍,則X 為O;

6)X 為地殼中含量最多的元素,則X 為O;

7)X 是形成化合物最多的元素,則X 為C;

8)W 是良好的半導體材料,可以用于計算機芯片或者太陽能電池,則W 為Si;

9)W 與X 可以形成原子個數之比為1∶1 和2∶1的2 種化合物,則W 與X 為H 和O 或者Na和O;

10)W 為二元液態化合物,則W 為H2O;

11)Y 的最外層電子數為次外層的一半,則Y 為Li或Si;

12)X 為地殼中含量最多的金屬元素,則X為Al;

13)Q 的簡單氫化物和其最高價含氧酸可以化合成鹽,說明Q 為非金屬元素,氫化物顯堿性,則Q為N;

14)灼燒X 的單質時可以觀察到黃色的火焰,則X 為Na;

15)A 是短周期主族元素中原子半徑最大的元素,則A 為Na;

16)A 是果實的催熟劑、植物生長的調節劑,則A為C2H4;

17)A 是一種黏稠的油狀液體,則A 為H2SO4;

18)A 是堿性氣體,則A 為NH3;

19)A 可用于雕刻玻璃,則A 為HF;

20)A 元素最高價氧化物既可以與強酸反應,又可以與強堿反應,則A 為Al;

21)A 的產量是衡量一個國家石油工業發展水平的重要標志,則A 為C2H4;

22)A 的產量是衡量一個國家工業發展水平的重要標志,則A 為H2SO4;

23)A 是一種黃綠色的氣體,則A 為Cl2;

24)A 是一種紅棕色的氣體,則A 為NO2;

25)A 是一種紅棕色的固體,可作紅色油漆的原料,則A 為Fe2O3;

26)A 可用于切割和焊接金屬,則A 為C2H2;

27)A 是形成酸雨的主要氣體之一,且常用于葡萄酒中,作抗氧化劑,則A 為SO2;

28)A 的單質通常可作制冷劑,則A 為N;

29)A 的氫化物通常可作制冷劑,則A 為N;

30)A 形成的固態氧化物可用于人工降雨,則A為CO2;

31)A 與B形成的淡黃色固體可用作漂白劑,也可用于制作防毒面具,則A、B為Na、O;

32)A 與B形成的單質發生反應,產生蒼白色火焰,則A、B為H、Cl;

33)A 的一種核素可用于鑒定文物的年代,則A為C;

34)A 單質是應用最廣泛、用量最大的金屬材料,則A 為Fe;

35)A 與B 形成的化合物可用于刻制印刷電路板,則A、B為Fe、Cl;

36)A 元素是無機非金屬材料的主角,則A 為Si;

37)A 與B形成的化合物用于制作光導纖維,則A、B為Si、O;

38)A、B、C3種短周期元素的最高價氧化物對應的水化物之間能兩兩反應,則A、B、C 為Na、Al、S(Cl).

例1(2022年全國甲卷)Q、X、Y、Z是原子序數依次增大的短周期主族元素,其最外層電子數之和為19.Q 與X、Y、Z位于不同周期,X、Y 相鄰,Y 原子最外層電子數是Q 原子內層電子數的2倍.下列說法正確的是( ).

A.非金屬性:X＞Q

B.單質的熔點:X＞Y

C.簡單氫化物的沸點:Z＞Q

D.最高價含氧酸的酸性:Z＞Y

解析Y 原子最外層電子數為Q 原子內層電子數的2倍,說明Q 最少有2層,根據題意可知3層不行,則Q 為第二周期元素,Y 的最外層電子數為4.Q、X、Y、Z 為原子序數依次增大的短周期主族元素,Q 與X、Y、Z不在同一周期,則X、Y、Z位于第三周期,故Y 為Si.又由于X、Y 相鄰,則X 為Al.Q、X、Y、Z的最外層電子數之和為19,則Q、Z的最外層電子數之和為19－3－4＝12,且主族元素的最外層電子數最多為7,若Q 的最外層電子數為7,為F 元素,則Z的最外層電子數為5,為P元素;若Q 的最外層電子數為6,為O 元素,則Z的最外層電子數為6,為S元素;若Q 的最外層電子數為5,為N 元素,Z的最外層電子數為7,為Cl元素.綜上所述,Q 為N 或O 或F,X 為Al,Y 為Si,Z為Cl或S或P.據此分析各選項,X為Al,Q 為N 或O 或F,根據同一周期,從左到右元素的非金屬性依次增強,同一主族,從上到下元素的非金屬性依次減弱,故非金屬性:Q＞X,選項A 錯誤.X 為Al,屬于金屬晶體,Y 為Si,屬于原子晶體,故單質熔點:Y＞X,選項B錯誤.Q 為N 或O 或F,其簡單氫化物為NH3或H2O 或HF,Z為Cl或S或P,其簡單氫化物為HCl或H2S或PH3,由于前者物質中存在氫鍵,后者物質中不存在氫鍵,故沸點:Q＞Z,選項C錯誤.元素的非金屬性越強,最高價含氧酸的酸性越強,P、S、Cl的非金屬性均強于Si,因此最高價含氧酸的酸性:Z＞Y,選項D 正確,故答案為D.

2 以片段信息為切入點的元素推斷題

片段式元素推斷題主要是利用片段信息確定元素在周期表中的大概位置,再結合元素的其他性質進行元素推斷,有時無法確定,還需要分情況討論.

例2(2022年廣東卷)甲～戊均為短周期元素,在元素周期表中的相對位置如圖1所示.戊的最高價氧化物對應的水化物為強酸.下列說法不正確的是( ).

圖1

A.原子半徑:?。疚欤疽?/p>

B.非金屬性:戊＞?。颈?/p>

C.甲的氫化物遇氯化氫一定有白煙產生

D.丙的最高價氧化物對應的水化物一定能與強堿反應

解析甲～戊是短周期元素,根據元素在周期表中的相對位置可知:甲、乙位于第二周期,丙、丁、戊位于第三周期.戊的最高價氧化物對應的水化物為強酸,則戊可能是S或Cl.若戊為Cl,則甲為N、乙為F、丙為P、丁為S;若戊為S,則甲為C、乙為O、丙為Si、丁為P.根據同一周期,從左到右原子半徑依次減小,同一主族,從上到下原子半徑依次增大,則原子半徑:?。疚欤疽?選項A 正確.根據同一周期,從左到右元素的非金屬性逐漸增強,則非金屬性:戊＞?。颈?選項B正確.甲的氫化物可能為氨氣或甲烷、乙烷等,若是氨氣,則遇氯化氫一定有白煙產生;若是甲烷、乙烷等,則遇氯化氫不反應,選項C 錯誤.丙的最高價氧化物對應的水化物可能是硅酸或磷酸,都一定能與強堿反應,選項D 正確,故答案為C.

3 以物質結構為切入點的元素推斷題

結構式元素推斷題主要是利用物質的結構確定大多數元素,再結合元素的性質推斷其他元素.對于共價化合物,若元素的共價鍵數目小于或等于4,則主族元素的最外層電子數＝8—共價鍵數目(配位鍵除外),若是H 元素,則最外層電子數＝2—共價鍵數目;若元素的共價鍵數目大于4,則主族元素的最外層電子數＝共價鍵數目.對于離子化合物,陰離子與共價化合物的推斷原理基本相同,但要考慮得電子的數目,一般情況下,幾價陽離子,則最外層就有幾個電子.

例3(2022 年湖南卷)科學家合成了一種新的共價化合物(結構如圖2所示),X、Y、Z、W 為原子序數依次增大的短周期元素,W 的原子序數等于X 與Y 的原子序數之和.下列說法錯誤的是( ).

圖2

A.原子半徑:X＞Y＞Z

B.非金屬性:Y＞X＞W

C.Z的單質具有較強的還原性

D.原子序數為82的元素與W 位于同一主族

解析由共價化合物的結構可知:X、W 形成4個共價鍵,Y 形成2 個共價鍵,Z 形成1 個共價鍵,所以X、W 最外層有4個電子,Y 最外層有6個電子,Z最外層有1個或7個電子.又由于X、Y、Z、W 是原子序數依次增大的短周期元素,W 的原子序數等于X 與Y 的原子序數之和,則X 為C、Y 為O、Z為F、W為Si.同一周期,從左到右原子半徑依次減小,則原子半徑大小為X＞Y＞Z,選項A 正確.同一周期,從左到右元素的非金屬性依次增強,同一主族,從上到下元素的非金屬性依次減弱,則X、Y、W 的非金屬性強弱順序為Y＞X＞W,選項B正確.氟是非金屬性最強的元素,其單質具有很強的氧化性,選項C 錯誤.根據每一周期所容納的元素的種類(2、8、8、18、18、32、32)可推測:原子序數為82的元素是鉛,與硅都位于第ⅣA族,選項D 正確,故答案為C.

4 以框圖信息為切入點的元素推斷題

框圖式元素推斷題是以方框的形式標出物質之間發生的變化,依據物質之間的相互轉化關系進行元素推斷的試題.框圖推斷題的特點是結構緊湊、文字表述少、包含信息多、綜合性強、思維能力要求高,具有很高的區分度和選拔功能.它既能考查學生對基礎知識的掌握情況,又能考查學生靈活運用知識的能力,更能考查學生的邏輯推理能力,難度通常較大.框圖題推斷主要是利用物質之間的轉化關系及物質的性質作為元素推斷的切入點,再與元素周期表、元素周期律的應用有機融合.

例4(2016 年全國Ⅰ卷)短周期元素W、X、Y、Z的原子序數依次增加.m、p、r是由這些元素組成的二元化合物,n是元素Z的單質,通常為黃綠色氣體,q的水溶液具有漂白性,0.01 mol·L－1r溶液的pH 為2,s通常是難溶于水的混合物.上述物質的轉化關系如圖3所示.下列說法正確的是( ).

圖3

A.原子半徑的大小W＜X＜Y

B.元素的非金屬性Z＞X＞Y

C.Y 的氫化物常溫常壓下為液態

D.X 的最高價氧化物的水化物為強酸

解析n是元素Z的單質,通常為黃綠色氣體,則n為Cl2,Z為Cl.m、p、r是由這些元素組成的二元化合物,且氯氣與p 在光照條件下生成r與s.0.01mol·L－1r溶液的pH 為2,則r為一元強酸HCl,s通常是難溶于水的混合物,則p為CH4.氯氣與m 反應生成HCl與q,q的水溶液具有漂白性,則m 為H2O,q為HClO.短周期元素W、X、Y、Z的原子序數依次增加,則W 為H,X 為C,Y 為O.所有元素中H 原子半徑最小,同一周期,從左到右原子半徑依次減小,故原子半徑W(H)＜Y(O)＜X(C),選項A錯誤.氯的氧化物(如ClO2)中氧元素顯負價,則氧元素的非金屬性比氯的強;高氯酸為強酸,碳酸為弱酸,則氯元素的非金屬性比碳的強,故非金屬性Y(O)＞Z(Cl)＞X(C),選項B 錯誤.O 元素的氫化物為H2O或H2O2,常溫下均為液態,選項C 正確.X 的最高價氧化物的水化物為碳酸,是弱酸,選項D 錯誤.故答案為C.

5 以圖表信息為切入點的元素推斷題

圖表題在高考試題中出現的頻率很高.圖表是題干信息的重要載體,要求考生能提取圖形、圖表中相關信息,解答相關問題,對考生的讀圖能力要求較高,能很好地考查考生接受、吸收、整合化學信息的能力.解題時首先要讀懂圖像、圖表信息,分清橫、縱坐標所表示的物理量.對于隱藏于圖表中的元素推斷題,首先要運用圖表信息,如原子半徑、化合價、最外層電子數、金屬性與非金屬性的周期性變化、溫度與質量分數的變化等作為切入點推斷出所對應的元素,然后再判斷選項的正誤.

例5(2022 年全國乙卷)化合物(YW4X5Z8·4W2Z)可用于電訊器材、高級玻璃的制造.W、X、Y、Z為短周期元素,原子序數依次增加,且加和為21.YZ2分子的總電子數為奇數,常溫下為氣體.該化合物的熱重曲線如圖4所示,在200 ℃以下熱分解時無刺激性氣體逸出.下列敘述正確的是( ).

圖4

A.W、X、Y、Z的單質常溫下均為氣體

B.最高價氧化物對應的水化物的酸性:Y＜X

C.100～200 ℃階段熱分解失去4個W2Z

D.500 ℃熱分解后生成固體化合物X2Z3

解析化合物(YW4X5Z8·4W2Z)在200 ℃以下熱分解時無刺激性氣體逸出,則說明失去的是水,即W 為H,Z 為O.YZ2常溫下為氣體,可能是CO2、NO2、SO2,但分子的總電子數為奇數,則Y 為N.W、X、Y、Z 為短周期元素,原子序數依次增加,且加和為21,則X 為B.X(B)的單質常溫下為固體,選項A 錯誤.根據非金屬性越強,其最高價氧化物的水化物酸性越強,則最高價氧化物的水化物酸性:X(H3BO3)＜Y(HNO3),選項B錯誤.根據題干“200 ℃以下熱分解時無刺激性氣體逸出”,說明失去的是水,若100～200 ℃階段熱分解失去4個H2O,殘留固體的質量分數為100%≈73.6%＜80.2%,說明假設錯誤,應該是失去4個H2O 中的部分結晶水,選項C 錯誤.若化合物(NH4B5O8·4H2O)在500 ℃熱分解后生成固體化合物X2Z3(B2O3),根據硼元素守恒,有關系式:2NH4B5O8·4H2O～5B2O3,則化合物B2O3的質量分數為64.1%,說明假設正確,選項D 正確.故答案為D.

例6(2021年天津卷)元素X、Y、Z、Q、R 的原子序數依次增大且小于20,其原子半徑和最外層電子數之間的關系如圖5所示.下列判斷正確的是( ).

圖5

A.X 的電負性比Q 的大

B.Q 的簡單離子半徑比R 的大

C.Z的簡單氣態氫化物的熱穩定性比Q 的強

D.Y 的最高價氧化物對應的水化物的堿性比R的強

解析由圖像可知:Y、R 位于第ⅠA 族,X 位于第ⅣA 族,Z位于第ⅥA 族,Q 位于第ⅦA 族.又由于X、Y、Z、Q、R 的原子序數依次增大且小于20,根據“最外層電子數和原子半徑的關系”可知:X 為C、Y 為Na、Z為S、Q 為Cl、R 為K.X 的非金屬性比Q的小,所以X 的電負性比Q 的小,選項A 錯誤.根據核外電子排布相同,核電荷數越大,離子半徑越小,故Q 的簡單離子(Cl－)半徑比R(K＋)的大,選項B 正確.同一周期,從左到右元素的非金屬性依次增強,即非金屬性Z(S)＜Q(Cl),而元素的非金屬性越強,則氣態氫化物越穩定,故Z的簡單氣態氫化物的熱穩定性比Q 的弱,選項C錯誤.同一主族,從上到下元素的金屬性依次增強,則金屬性Y(Na)＜R(K),而元素的金屬性越強,最高價氧化物對應水化物的堿性越強,則Y 的最高價氧化物對應的水化物的堿性比R 的弱,選項D 錯誤.故答案為B.

6 以核反應為切入點的元素推斷題

核反應是指原子核與原子核,或者原子核與各種粒子(如質子、中子、光子、高能電子)之間相互作用引起的各種變化.在反應前后總質子數、電荷數、質量數、能量、動量都不變,所以與核反應相關的元素推斷題主要是以核反應中的質子守恒和質量數守恒為切入點,同時利用元素其他性質進行推斷.

例7(2020年新課標Ⅰ卷)1934年約里奧-居里夫婦在核反應中用α粒子(即氦核He)轟擊金屬原子X,得到核素,開創了人造放射性核素的先河:.其中元素X、Y 的最外層電子數之和為8.下列敘述正確的是( ).

A.X的相對原子質量為26

B.X、Y 均可形成三氯化物

C.X 的原子半徑小于Y 的

D.Y 僅有一種含氧酸

解析在原子轟擊實驗中,原子滿足質子守恒和質量數守恒,故有關系W＋4＝30＋1,則W＝27.由題意可知,X 為金屬元素,且Y 的質子數比X 大2,則X 與Y 位于同一周期,且Y 位于X 右側.又因為元素X、Y 的最外層電子數之和為8,設X 最外層電子數為a,則Y 的最外層電子數為a＋2,故有a＋a＋2＝8,解得a＝3,因此X 為Al,Y 為的質量數為27,則其相對原子質量為27,選項A 錯誤.Al元素可形成AlCl3,P元素可形成PCl3,選項B正確.Al與P原子位于同一周期,根據“同一周期,從左到右原子半徑逐漸減小”,故原子半徑Al＞P,選項C錯誤.P的含氧酸有H3PO4、H3PO3、H3PO2、HPO3等,選項D錯誤.故答案為B.

總之,有關元素推斷題的命題角度是多方面的,考生可以根據元素及物質的性質、物質結構、物質之間的轉化關系、元素的位置、核反應、圖表信息來推斷.元素推斷題可以打破模塊之間的界定,體現高考試題中知識點間的綜合性,考生在備考時,要重點掌握利用“位、構、性”關系綜合考查元素及其化合物性質的相關內容.從近幾年的高考題中可以發現,題干給出的已知條件,不再是單純的原子結構特征,而是添加了元素化合物的結構和性質、圖表、數據等信息,并以此為切入點進行元素推斷,因此在平時的學習中要夯實基礎知識,同時要注意知識的靈活運用.

(完)