追本溯源,構(gòu)建結(jié)構(gòu)式到元素推斷的橋梁

■山西省忻州市第一中學(xué)校 趙錦花

元素推斷類題目是高考選擇題的必考題型,考查形式靈活多變,常考常新。近幾年來(lái)高考此類題目常以結(jié)構(gòu)式為載體考查元素推斷及元素周期律,題目新穎,要求考生對(duì)元素的成鍵方式有深入理解。要解決此類題目,必須通過(guò)典型物質(zhì)來(lái)了解元素成鍵方式的多樣性和規(guī)律性,追本溯源,挖掘本質(zhì)。只要推斷出元素,考生一般可順利解答。這就要求考生對(duì)前20號(hào)元素的電子排布及相關(guān)物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)了然于心,真正建立元素周期表中位、構(gòu)、性之間的關(guān)系。

表1 常見(jiàn)元素的成鍵規(guī)律

表2 常見(jiàn)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)式舉例

值得一提的是,無(wú)機(jī)化合物成鍵方式復(fù)雜多樣,以上只是高中化學(xué)中常見(jiàn)的情況,并不能囊括全部成鍵類型。若要全面解析,還要在大學(xué)的無(wú)機(jī)化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)部分或者在化學(xué)競(jìng)賽中進(jìn)一步學(xué)習(xí)?，F(xiàn)將高考中此類題目常見(jiàn)的兩種類型歸納如下。

一、共價(jià)化合物

對(duì)于共價(jià)化合物,只需根據(jù)元素成鍵規(guī)律,結(jié)合題目信息推斷即可。

例1如圖1所示的兩種化合物可用于阻燃材料和生物材料的合成。其中 W、X、Y、Z為原子序數(shù)依次增大的短周期元素,X和 Z 同主族,Y 原子序數(shù)為 W 原子價(jià)電子數(shù)的 3倍。下列說(shuō)法正確的是( )。

圖1

A.X和Z的最高化合價(jià)均為+7價(jià)

B.HX和HZ在水中均為強(qiáng)酸

C.四種元素中,Y原子半徑最小,X原子半徑最大

D.Z、W和氫三種元素可形成同時(shí)含有離子鍵和共價(jià)鍵的化合物

解析:由圖可知,W均形成3根共價(jià)鍵,X、Z均形成一根共價(jià)鍵,且同主族,結(jié)合W、X、Z原子序數(shù)依次增大,可知W、X、Z分別為N、F、Cl。Y 原子序數(shù)是 W 價(jià)電子數(shù)的 3倍,故Y為P。F沒(méi)有正化合價(jià),A項(xiàng)錯(cuò)誤。HF是弱酸,B項(xiàng)錯(cuò)誤。原子半徑P>Cl>N>F,C項(xiàng)錯(cuò)誤。Z、W和氫可組成氯化銨,氯化銨同時(shí)含共價(jià)鍵和離子鍵,D項(xiàng)正確。

答案:D

積累:P在此化合物中形成五個(gè)共價(jià)鍵。

基礎(chǔ)必備:(1)F、O沒(méi)有最高正價(jià)。

(2)常見(jiàn)的六大強(qiáng)酸:硝酸、鹽酸、硫酸、高氯酸(HClO4)、氫溴酸(HBr)、HI。

(3)比較微粒半徑時(shí),先看層數(shù):一般,層數(shù)越多,半徑越大,例如r(Na)>r(Li)、r(S2-)>r(O2-)(特例見(jiàn)下頁(yè)表3,Li位于第二周期,但原子半徑大于第三周期的Al、Si、P、S、Cl。高中范圍的考題一般不會(huì)考查特殊情況微粒半徑的比較;稀有氣體元素的原子半徑測(cè)定與相鄰非金屬元素的測(cè)定依據(jù)不同,沒(méi)有可比性,也不做比較)。層數(shù)相同時(shí),再看核電荷數(shù):核電荷數(shù)越大,微粒半徑越小。以上方法適用于各種微粒間的比較。如r(O2-)>r(F-)>r(Na+)>r(Mg2+)。

表3 元素原子半徑特殊情況舉例

(4)化學(xué)鍵類型判斷方法:一般,活潑金屬(ⅠA、ⅡA族元素)與活潑非金屬(Ⅵ、Ⅶ族元素)形成的化合物含離子鍵,是離子化合物(注意:AlCl3、BeCl2是共價(jià)化合物);非金屬元素間形成的化合物一般是共價(jià)化合物,含共價(jià)鍵(注意:銨鹽如NH4Cl、NH4NO3等由非金屬組成,但是是離子化合物)。

例2一種測(cè)乳制品中脂肪酸含量的試劑結(jié)構(gòu)如圖2所示。W、X、Y、Z、M為原子序數(shù)依次增大的短周期主族非金屬元素,其中原子的核電荷數(shù)存在關(guān)系:Y+Z=X+M=14。下列說(shuō)法正確的是( )。

圖2

A.最高價(jià)氧化物對(duì)應(yīng)水化物的酸性:X>Y

B.該化合物中所有原子均滿足最外層8e-穩(wěn)定結(jié)構(gòu)

C.常溫下,M的單質(zhì)能夠從Z的簡(jiǎn)單氫化物中置換出Z的單質(zhì)

D.Y2W6和W2Z2均能使酸性高錳酸鉀溶液褪色

解析:由W、X、Y、Z、M為原子序數(shù)依次增大的短周期主族非金屬元素,核電荷數(shù)X+M=14,結(jié)合圖中X、M分別形成4個(gè)、1個(gè)共價(jià)鍵,可知M為F,則X為硼。由Y形成四個(gè)共價(jià)鍵,可知Y為C,結(jié)合核電荷數(shù)Y+Z=14可知Z為O。W原子序數(shù)最小且形成一個(gè)共價(jià)鍵,則W為氫。由元素周期律可知非金屬性硼<碳,則酸性H3BO3

答案:C

點(diǎn)評(píng):該題中多數(shù)考生結(jié)合成鍵規(guī)律能判斷出W是H,M是F。定式思維在于:發(fā)現(xiàn)X、Y均形成四個(gè)共價(jià)鍵,則認(rèn)為二者分別是C、Si;Z形成三個(gè)共價(jià)鍵則認(rèn)為Z是N;但發(fā)現(xiàn)結(jié)論與題目所給信息“核電荷數(shù)為Y+Z=X+M=14”存在矛盾后,從而陷入了自我懷疑,進(jìn)而無(wú)法準(zhǔn)確推斷。因此要特別注意B、Al元素形成配位鍵的情況。

基礎(chǔ)必備:(1)H3BO3是一元弱酸,水溶液中存在:H3BO3+H2OB(OH)-4+H+。

(2)2F2+2H2O4HF+O2,2Na+2H2O2NaOH+H2。

二、離子化合物

離子化合物中陽(yáng)離子一般考慮是活潑金屬形成的,陰離子需要考慮是哪個(gè)元素得電子,再結(jié)合題目信息推斷。

例3某化合物的結(jié)構(gòu)如圖3,其中X、Y、Z、W四種元素分布在三個(gè)短周期,原子序數(shù)依次增大,且Y、Z、W的簡(jiǎn)單離子具有相同的電子層結(jié)構(gòu)。下列敘述不正確的是( )。

圖3

A.簡(jiǎn)單離子半徑:Y>Z>W

B.最高價(jià)氧化物對(duì)應(yīng)水化物的堿性:Z>W

C.該化合物的水溶液呈中性

D.X與Y形成的化合物可與X與Z形成的化合物發(fā)生反應(yīng)

解析:由X、Y、Z、W分別在三個(gè)短周期,原子序數(shù)依次增大,可知X為H,Z形成Z+故Z為Na。Y形成兩個(gè)共價(jià)鍵,是O。由圖可知W得了一個(gè)電子形成四個(gè)鍵,結(jié)合Y、Z、W的簡(jiǎn)單離子具有相同的電子層結(jié)構(gòu),可知W是Al。X、Y、Z、W分別是H、O、Na、Al。離子半徑大小順序?yàn)镺2->Na+>Al3+,故A項(xiàng)正確。金屬性Na強(qiáng)于Al,所以堿性NaOH>Al(OH)3,故B項(xiàng)正確。該化合物是Na[Al(OH)4],水溶液呈堿性,故C項(xiàng)錯(cuò)誤。H2O+NaHNaOH+H2,故D項(xiàng)正確。

答案:C

積累:該題中的化合物是Na[Al(OH)4],W是Al,形成四個(gè)共價(jià)鍵。

點(diǎn)評(píng):該題考查了鹽類的水解,將水溶液中的離子平衡和元素推斷有機(jī)結(jié)合在了一起。還考查了NaH與水的反應(yīng)。

基礎(chǔ)必備:金屬性判斷依據(jù):單質(zhì)與水或酸反應(yīng)置換出H2的難易程度;最高價(jià)氧化物對(duì)應(yīng)水化物的堿性強(qiáng)弱;置換反應(yīng)(注意:Na能與水劇烈反應(yīng),不能從水溶液中置換出其他金屬);對(duì)應(yīng)陽(yáng)離子的氧化性。

例4M、W、X、Y、Z是同周期主族元素,X原子的最外層電子數(shù)是W原子次外層電子數(shù)的3倍。它們形成的化合物可用作新型電池的電極材料,結(jié)構(gòu)如圖4所示。下列說(shuō)法正確的是( )。

圖4

A.M的單質(zhì)通常保存在煤油中

B.圖中陰離子中所有原子均滿足8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)

C.Z的氫化物的沸點(diǎn)一定低于X氫化物的沸點(diǎn)

D.Y是其同周期元素中第一電離能最大的元素

解析:X原子的最外層電子數(shù)是W原子次外層電子數(shù)的3倍,說(shuō)明W原子次外層電子數(shù)為2,則M、W、X、Y、Z都是第二周期主族元素且X為O。由M形成M+,可知M為L(zhǎng)i。Y、Z分別形成一根、四根共價(jià)鍵,則分別為F、C。據(jù)此判斷是一個(gè)W得到一個(gè)電子,則W為B。則M、W、X、Y、Z分別為L(zhǎng)i、B、O、F、C。Li密度比煤油小,應(yīng)保存在石蠟油中,A項(xiàng)錯(cuò)誤。陰離子中,F、B、O、C均滿足8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu),B項(xiàng)正確。碳的氫化物即烴,隨碳數(shù)的增加可能為氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài),沸點(diǎn)不一定低于H2O或H2O2,C項(xiàng)錯(cuò)誤。第二周期電離能最大的是Ne,D項(xiàng)錯(cuò)誤。

答案:B

積累:該化合物中W是硼,形成四根共價(jià)鍵。

基礎(chǔ)必備:(1)熟記常見(jiàn)物質(zhì)的保存方法,如堿金屬中Li密度小,保存在石蠟油中,其余堿金屬可保存在煤油中;液溴保存時(shí)要用水封,防止揮發(fā);白磷放置在冷水中保存。

(2)注意碳的氫化物是烴,不要固定思維認(rèn)為是CH4。

(3)同一周期中,稀有氣體元素電離能最大;F是周期表中電負(fù)性最大的元素(高中課本未列出稀有氣體電負(fù)性數(shù)值,無(wú)特殊信息時(shí)無(wú)須考慮)。

(4)共價(jià)化合物8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的判斷:H元素肯定不滿足8電子;其他原子若最外層電子數(shù)+共價(jià)鍵數(shù)=8,則滿足8電子。

例5短周期元素A、B、C、D原子序數(shù)依次增大,A、D同主族,且其中三種元素組成的某種離子液體的結(jié)構(gòu)式如圖5,下列說(shuō)法正確的是( )。

圖5

A.C元素位于ⅥA族

B.D的單質(zhì)具有漂白性

C.含氧酸的酸性:D>C

D.A、B、C與氧元素形成的化合物中,氧元素的化合價(jià)可能均不相同

解析:由A、B、C、D原子序數(shù)依次增大且A都形成一根共價(jià)鍵可知,A可能是H或F,B可能是Li或Na。因此是C得到一個(gè)電子形成六根鍵,是N或者P。D原子序數(shù)最大,且與A同主族,可能是Na或Cl,整體推斷可知A、B、C、D分別是F、Na、P、Cl,該結(jié)構(gòu)代表NaPF6。氟位于ⅦA族,A項(xiàng)錯(cuò)誤。Cl2本身沒(méi)有漂白性,氯水中是含有HClO而有漂白性,B項(xiàng)錯(cuò)誤。非金屬性D>C,最高價(jià)氧化物對(duì)應(yīng)水化物的酸性HClO4>H3PO4,但是該題未指明是最高價(jià)含氧酸,而Cl、P均有多種含氧酸, 無(wú)法比較, C項(xiàng)錯(cuò)誤。OF2中O為+2價(jià),P2O5中O為-2價(jià),Na2O2中O為-1價(jià),均不相同,D項(xiàng)正確。

答案:D

積累:該化合物中P得到一個(gè)電子形成六根鍵。

基礎(chǔ)必備:(1)常見(jiàn)的漂白性物質(zhì):氯水、Na2O2、H2O2、O3(氧化性漂白)、SO2(化合漂白)、活性炭(吸附漂白)。

(2)非金屬性強(qiáng)弱判斷依據(jù):最高價(jià)氧化物對(duì)應(yīng)水化物的酸性強(qiáng)弱(如Cl、S元素分別對(duì)應(yīng)HClO4、H2SO4,由HClO4是最強(qiáng)的含氧酸可知非金屬性Cl>S);單質(zhì)與H2化合的劇烈程度以及對(duì)應(yīng)氣態(tài)氫化物的穩(wěn)定性(如非金屬性按F、Cl、Br、I的順序依次減小,則穩(wěn)定性也是按HF、HCl、HBr、HI依次減小);對(duì)應(yīng)陰離子的還原性;置換反應(yīng)(注意:F2能與水劇烈反應(yīng),不能置換更弱的非金屬性單質(zhì)如Cl2、Br2等)。