物質結構與性質題源解密與思維建模

■江西師范大學附屬中學 李橋生

近年來,高考化學考試越來越注重創新,創新題在高考化學考試中的比例逐漸增加。高考中對物質結構與性質板塊的考查年年有變、年年有新,考查考生的綜合素質,要求考生具備扎實的基礎知識、靈活的應用能力和深刻的思考能力。本文對物質結構與性質高考創新題追根溯源,為考生備考提供指導和實踐參考。

一、探尋命題規律,洞悉考查趨勢

結合近三年的高考試題我們可以發現,物質結構與性質的考查主要以兩種題型出現,即選擇題和非選擇題。其中既有獨立全面考查,也有分散性、綜合性考查。

隨著新高考的大范圍實行,最大的變化是在選擇題中出現了考查物質結構與性質選修模塊內容的試題,且具有一定的分散性,在阿伏加德羅常數的判斷、有機物的結構與性質、元素推斷、反應機理等題目中均會涉及,單獨考查物質結構與性質的選擇題主要以分子結構與性質內容為主,但分析2023年的高考化學試題可以看出,考查晶體結構與性質的選擇題也開始多了起來,尤其是在主觀題取消了物質結構與性質模塊試題以后,有關晶胞結構的考查就可以設置在選擇題當中了,需要引起同學們的額外重視。關于元素推斷類題目,命題形式沒有大的變化,主要變化是將選修模塊內容融入到了元素推斷當中,如第一電離能、電負性、核外電子排布、雜化類型、化學鍵類型、鍵角等知識是常考內容。總體而言,有關物質結構與性質、元素推斷的選擇題在高考中所占分值大,難度跨度大,涉及知識點多,已經成為高考的重點考查內容。物質結構與性質高頻考點如圖1所示。

圖1

非選擇題中對物質結構與性質的考查往往更為集中,從試題的構成來看,給出一定的知識背景,然后設置成4～5個小題,每個小題考查一個知識要點是主要的命題模式,內容主要考查基本概念,如電子排布式、軌道表示式、電離能、電負性、雜化方式以及空間構型等,也可聯系有機化學考查有機物中C 原子的雜化,聯系數學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,或者考查晶體的化學式的書寫、晶體類型的判斷等。不過近年高考題中也有將物質結構與性質相關知識的考查分散融入到化工流程、反應原理、有機流程推斷等經典題型中進行考查。

二、例談高考真題,追溯題源

1.立足教材,加強教考銜接。

2023年高考全國卷化學選擇題中物質結構與性質考查情況如表1所示。

表1

2023 年高考全國卷化學非選擇題中物質結構與性質考查情況如表2所示。

表2

基于對2023 年高考化學全國卷物質結構與性質相關試題的分析,我們不難發現高考均是按照高中化學的課程標準進行命題的,重視教材,突出化學主干知識的考查。

例1中國科學家首次成功制得大面積單晶石墨炔,是碳材料科學的一大進步。

下列關于金剛石、石墨、石墨炔的說法正確的是( )。

A.三種物質中均有碳碳原子間的σ鍵

B.三種物質中的碳原子都是sp3雜化

C.三種物質的晶體類型相同

D.三種物質均能導電

答案：A

該試題涉及化學鍵、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介紹的典型晶體和材料,體現了化學的學科價值,引導考生從基礎化學知識的角度去觀察思考新事物、新技術、新方法,落實高考評價體系中的創新性考查要求。

現行教材物質結構與性質板塊有關金剛石和石墨的結構如圖2所示。

圖2

2.打通模塊,凸顯學科思維。

從化學學科體系來看,化學的核心思維就是“結構決定性質,性質決定用途”。因此,物質結構是化學的基礎,對促進其他模塊如有機化學、反應原理的深度學習和體系重構有著無可替代的作用。

例2在光照下,螺吡喃發生開、閉環轉換而變色,過程如下。下列關于開、閉環螺吡喃說法正確的是( )。

A.均有手性

B.互為同分異構體

C.N 原子雜化方式相同

D.閉環螺吡喃親水性更好

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

答案：B

3.關注學科融合,考查綜合能力。

命題一般采取新科技、新能源等社會熱點為背景,主要考查原子的結構與性質、分子的結構與性質和晶體的結構與性質。

例3鑭La和H 可以形成一系列晶體材料La Hn,在儲氫和超導等領域具有重要應用。La Hn屬于立方晶系,晶胞結構和參數如圖3 所示。高壓下,La H2中的每個H 結合4個H 形成類似CH4的結構,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 形成一個頂點數為40的閉合多面體籠

D.La Hx單位體積中含氫質量的計算式為

解析：由La H2的晶胞結構可知,La位于頂點和面心,晶胞內8 個小立方體的中心各有1個H 原子,若以頂點La研究,與之最近的H 原子有8個,則La的配位數為8,故A項正確。由La Hx晶胞結構可知,每個H 結合4個H 形成類似CH4的結構,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 項正確。由題干信息可知,在La Hx晶胞中,每個H 結合4個H形成類似CH4的結構,這樣的結構有8 個,頂點數為4×8=32,且不是閉合的結構,故C項錯誤。1個La Hx晶胞中含有5×8=40個H 原子,含H 質量為g,晶胞的體積為(484.0×10-10cm)3=(4.84×10-8)3cm3,則La Hx單位體積中含氫質量的計算式為,故D項正確。

答案：C

晶胞的有關計算基本是物質結構與性質模塊必考的內容,近年來高考試題往往通過數學的“三視圖”“投影圖”進行晶胞信息呈現,對考生的數理思維、立體空間感等綜合能力要求較高。

三、構建思維模型,提升學科素養

物質結構與性質的試題命制內容有的較為基礎,主要考查考生對基礎知識理解與掌握的水平,屬于得分點,必須保證高效順利拿分。而對于復雜情境下的區分性試題,更需強化思維模型,抽絲剝繭,把握關鍵要素,由低級的表征知識逐漸深入,有效遷移,形成知識的內化,使瑣碎的化學知識做到形散而神不散的狀態。

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

1.必備跨學科知識整理,增強立體空間想象能力。

2.熟悉經典案例,立足試題本源。

3.厘清位置關系,警示易錯情況。

(1)投影在矩形的頂點,原子可能在立方晶胞的頂點,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,原子在晶胞內部四面體4個或8 個正四面體空隙。