物质结构与性质题源解密与思维建模

■江西师范大学附属中学 李桥生

近年来,高考化学考试越来越注重创新,创新题在高考化学考试中的比例逐渐增加。高考中对物质结构与性质板块的考查年年有变、年年有新,考查考生的综合素质,要求考生具备扎实的基础知识、灵活的应用能力和深刻的思考能力。本文对物质结构与性质高考创新题追根溯源,为考生备考提供指导和实践参考。

一、探寻命题规律,洞悉考查趋势

结合近三年的高考试题我们可以发现,物质结构与性质的考查主要以两种题型出现,即选择题和非选择题。其中既有独立全面考查,也有分散性、综合性考查。

随着新高考的大范围实行,最大的变化是在选择题中出现了考查物质结构与性质选修模块内容的试题,且具有一定的分散性,在阿伏加德罗常数的判断、有机物的结构与性质、元素推断、反应机理等题目中均会涉及,单独考查物质结构与性质的选择题主要以分子结构与性质内容为主,但分析2023年的高考化学试题可以看出,考查晶体结构与性质的选择题也开始多了起来,尤其是在主观题取消了物质结构与性质模块试题以后,有关晶胞结构的考查就可以设置在选择题当中了,需要引起同学们的额外重视。关于元素推断类题目,命题形式没有大的变化,主要变化是将选修模块内容融入到了元素推断当中,如第一电离能、电负性、核外电子排布、杂化类型、化学键类型、键角等知识是常考内容。总体而言,有关物质结构与性质、元素推断的选择题在高考中所占分值大,难度跨度大,涉及知识点多,已经成为高考的重点考查内容。物质结构与性质高频考点如图1所示。

图1

非选择题中对物质结构与性质的考查往往更为集中,从试题的构成来看,给出一定的知识背景,然后设置成4～5个小题,每个小题考查一个知识要点是主要的命题模式,内容主要考查基本概念,如电子排布式、轨道表示式、电离能、电负性、杂化方式以及空间构型等,也可联系有机化学考查有机物中C 原子的杂化,联系数学几何知识考查晶体的计算等,一般利用均摊法考查晶胞中的原子个数,或者考查晶体的化学式的书写、晶体类型的判断等。不过近年高考题中也有将物质结构与性质相关知识的考查分散融入到化工流程、反应原理、有机流程推断等经典题型中进行考查。

二、例谈高考真题,追溯题源

1.立足教材,加强教考衔接。

2023年高考全国卷化学选择题中物质结构与性质考查情况如表1所示。

表1

2023 年高考全国卷化学非选择题中物质结构与性质考查情况如表2所示。

表2

基于对2023 年高考化学全国卷物质结构与性质相关试题的分析,我们不难发现高考均是按照高中化学的课程标准进行命题的,重视教材,突出化学主干知识的考查。

例1中国科学家首次成功制得大面积单晶石墨炔,是碳材料科学的一大进步。

下列关于金刚石、石墨、石墨炔的说法正确的是( )。

A.三种物质中均有碳碳原子间的σ键

B.三种物质中的碳原子都是sp3杂化

C.三种物质的晶体类型相同

D.三种物质均能导电

答案：A

该试题涉及化学键、晶体类型、杂化方式等知识。其中金刚石和石墨是教材中重点介绍的典型晶体和材料,体现了化学的学科价值,引导考生从基础化学知识的角度去观察思考新事物、新技术、新方法,落实高考评价体系中的创新性考查要求。

现行教材物质结构与性质板块有关金刚石和石墨的结构如图2所示。

图2

2.打通模块,凸显学科思维。

从化学学科体系来看,化学的核心思维就是“结构决定性质,性质决定用途”。因此,物质结构是化学的基础,对促进其他模块如有机化学、反应原理的深度学习和体系重构有着无可替代的作用。

例2在光照下,螺吡喃发生开、闭环转换而变色,过程如下。下列关于开、闭环螺吡喃说法正确的是( )。

A.均有手性

B.互为同分异构体

C.N 原子杂化方式相同

D.闭环螺吡喃亲水性更好

解析：在传统的有机试题中融入对结构的考查,手性是碳原子上连有四个不同的原子或原子团,因此闭环螺吡喃含有手性碳原子如图所示,,开环螺吡喃不含手性碳原子,故A 项错误。根据它们的结构简式,分子式均为C19H19NO,它们结构不同,因此互为同分异构体,故B 项正确。闭环螺吡喃中N 原子杂化方式为sp3,开环螺吡喃中N 原子杂化方式为sp2,故C 项错误。开环螺吡喃中氧原子显负价,电子云密度大,容易与水分子形成分子间氢键,水溶性增大,因此开环螺吡喃亲水性更好,故D 项错误。

答案：B

3.关注学科融合,考查综合能力。

命题一般采取新科技、新能源等社会热点为背景,主要考查原子的结构与性质、分子的结构与性质和晶体的结构与性质。

例3镧La和H 可以形成一系列晶体材料La Hn,在储氢和超导等领域具有重要应用。La Hn属于立方晶系,晶胞结构和参数如图3 所示。高压下,La H2中的每个H 结合4个H 形成类似CH4的结构,即得到晶体La Hx。下列说法错误的是( )。

图3

A.La H2晶体中La的配位数为8

B.晶体中H 和H 的最短距离:La H2＞La Hx

C.在La Hx晶胞中,H 形成一个顶点数为40的闭合多面体笼

D.La Hx单位体积中含氢质量的计算式为

解析：由La H2的晶胞结构可知,La位于顶点和面心,晶胞内8 个小立方体的中心各有1个H 原子,若以顶点La研究,与之最近的H 原子有8个,则La的配位数为8,故A项正确。由La Hx晶胞结构可知,每个H 结合4个H 形成类似CH4的结构,H 和H 之间的最短距离变小,则晶体中H 和H 的最短距离:La H2＞La Hx,故B 项正确。由题干信息可知,在La Hx晶胞中,每个H 结合4个H形成类似CH4的结构,这样的结构有8 个,顶点数为4×8=32,且不是闭合的结构,故C项错误。1个La Hx晶胞中含有5×8=40个H 原子,含H 质量为g,晶胞的体积为(484.0×10-10cm)3=(4.84×10-8)3cm3,则La Hx单位体积中含氢质量的计算式为,故D项正确。

答案：C

晶胞的有关计算基本是物质结构与性质模块必考的内容,近年来高考试题往往通过数学的“三视图”“投影图”进行晶胞信息呈现,对考生的数理思维、立体空间感等综合能力要求较高。

三、构建思维模型,提升学科素养

物质结构与性质的试题命制内容有的较为基础,主要考查考生对基础知识理解与掌握的水平,属于得分点,必须保证高效顺利拿分。而对于复杂情境下的区分性试题,更需强化思维模型,抽丝剥茧,把握关键要素,由低级的表征知识逐渐深入,有效迁移,形成知识的内化,使琐碎的化学知识做到形散而神不散的状态。

对于近年来的核心考点,如比较电离能大小、价层电子对对数判断方法、比较键角大小、比较晶体熔沸点大小、晶胞配位数的判断、晶胞原子投影规律等,我们有必要进行思维建模。以晶胞原子投影规律为例:

1.必备跨学科知识整理,增强立体空间想象能力。

2.熟悉经典案例,立足试题本源。

3.厘清位置关系,警示易错情况。

(1)投影在矩形的顶点,原子可能在立方晶胞的顶点,或立棱的棱心。

(2)投影在边的中心,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,或晶胞的体心。

(4)投影在正方形均分为四个小正方形的中心,原子在晶胞内部四面体4个或8 个正四面体空隙。