淺析高考化學(xué)反應(yīng)機(jī)理及能量圖試題的命制策略及預(yù)測(cè)

湖南 周學(xué)興 楊 霄

(作者單位：湖南常德市第一中學(xué))

一、高考背景

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版2020修訂版)》(以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)提出內(nèi)容要求：“知道化學(xué)反應(yīng)是有歷程的”“認(rèn)識(shí)基元反應(yīng)活化能對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響”“知道催化劑可以改變反應(yīng)歷程”，并提出學(xué)業(yè)要求“能進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)速率的簡(jiǎn)單計(jì)算，能通過實(shí)驗(yàn)探究分析不同組分濃度改變對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，能用一定的理論模型說明外界條件改變對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響”。2019版人教版選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》一書提到了“基元反應(yīng)”的概念以及“反應(yīng)歷程又稱反應(yīng)機(jī)理”的定義。

《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系說明》指出：“以考查要求為例，高考評(píng)價(jià)體系中的‘四翼’突出基礎(chǔ)性。高考圍繞學(xué)科主干內(nèi)容，加強(qiáng)對(duì)基本概念、基本思想方法的考查，杜絕偏題怪題和繁難試題，引導(dǎo)教學(xué)重視教材，夯實(shí)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，給學(xué)生提供深度學(xué)習(xí)和思考的空間。同時(shí)，‘四翼’也十分注重綜合性、應(yīng)用性與創(chuàng)新性，通過設(shè)置真實(shí)的試題情境，考查學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析解決問題的能力，允許學(xué)生從多角度作答，使‘死記硬背’‘機(jī)械刷題’‘題海戰(zhàn)術(shù)’的收益大大降低，引導(dǎo)學(xué)生的關(guān)注點(diǎn)從‘解題’向‘解決問題’、從‘做題’向‘做人做事’轉(zhuǎn)變?！薄督逃筷P(guān)于做好2021年普通高校招生工作的通知》中強(qiáng)調(diào)“要優(yōu)化情境設(shè)計(jì)，增強(qiáng)試題開放性、靈活性，充分發(fā)揮高考命題的育人功能和積極導(dǎo)向作用，引導(dǎo)減少‘死記硬背’和‘機(jī)械刷題’現(xiàn)象?！薄吨袊?guó)教育報(bào)》上發(fā)表的《牢記立德樹人使命，寫好教育考試奮進(jìn)之筆》中，闡述了高考命題的基本要求、基本步驟和基本原則，能夠充分體現(xiàn)試題的開放性、靈活性。

化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及其應(yīng)用的一門基礎(chǔ)學(xué)科，其特征是從微觀層次認(rèn)識(shí)物質(zhì)，以符號(hào)形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)。化學(xué)反應(yīng)機(jī)理及能量變化，利用符號(hào)從微觀、宏觀角度描述了物質(zhì)創(chuàng)造的過程，并從能量觀角度揭示了化學(xué)鍵的斷裂與形成過程，較大程度地提升了學(xué)生的證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)?；瘜W(xué)反應(yīng)機(jī)理的揭示，為系統(tǒng)地創(chuàng)造物質(zhì)提供了理論途徑，培育了學(xué)生的創(chuàng)新思維。該類試題具有開放性、靈活性的特點(diǎn)，故它將是高考化學(xué)考查的熱點(diǎn)題型。

二、考情分析

隨著新高考的推進(jìn)，涉及反應(yīng)機(jī)理的試題在近幾年高考中考頻較高，有關(guān)該類型試題的近三年考情如表1所示。

表1 近三年高考化學(xué)試題中考查反應(yīng)機(jī)理及能量變化圖的情況匯總

通過圖表，不難發(fā)現(xiàn)考查化學(xué)反應(yīng)與能量變化的試題主要有五種呈現(xiàn)形式，題型涉及選擇題和非選擇題兩種；從試題出現(xiàn)的位置可看出，該題位于試卷中后部，屬于較難的試題，對(duì)學(xué)生的素養(yǎng)水平要求高；考查的核心素養(yǎng)水平主要為水平3和水平4。

通過考情的歸納總結(jié)，筆者從命制原創(chuàng)試題的方法以及考查趨勢(shì)預(yù)測(cè)等角度進(jìn)一步分析此類試題，以期為廣大教師提供一定的復(fù)習(xí)方向。

三、創(chuàng)新原創(chuàng)試題

試題的創(chuàng)新主要有新素材、新信息呈現(xiàn)方式、新考向、新思維角度等方面。反應(yīng)機(jī)理及能量試題的重要?jiǎng)?chuàng)新角度是新素材，其次是新信息呈現(xiàn)方式和新思維角度。其中的呈現(xiàn)形式，可將曲線由一條變?yōu)槎鄺l，將鐘狀循環(huán)圖由一個(gè)循環(huán)變?yōu)槎鄠€(gè)循環(huán)等方式進(jìn)行創(chuàng)作。而其考查角度相對(duì)固定。

1.原創(chuàng)試題賞析

【例1】我國(guó)學(xué)者通過局域晶態(tài)氮化碳調(diào)控*OCCHO中間體路徑實(shí)現(xiàn)光催化選擇性還原CO2制取CH3CHO，在不同催化劑(HCN、HCN—A)作用下其反應(yīng)歷程中能量變化如圖1所示(部分物質(zhì)省略)。其中HCN—A表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，實(shí)現(xiàn)了目前光催化CO2生產(chǎn)乙醛的最高紀(jì)錄。

圖1

下列有關(guān)說法正確的是

( )

A.步驟Ⅱ→Ⅲ過程中存在C—H的形成

B.由圖1可知CO2轉(zhuǎn)化為CH3CHO的反應(yīng)為放熱反應(yīng)

C.決定*CO→CH3CHO的反應(yīng)速率的步驟是Ⅳ→Ⅴ

D.HCN—A優(yōu)于HCN的重要原因之一是*CHO和*CO 生成*OCCHO的ΔH<0

【參考答案】D

在碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)背景下，我國(guó)明確提出要大力發(fā)展低碳可再生能源產(chǎn)業(yè)，加快發(fā)展零碳、負(fù)碳技術(shù)，減少CO2的排放，加強(qiáng)CO2的高值化轉(zhuǎn)化，推動(dòng)能源低碳轉(zhuǎn)型。光催化還原二氧化碳技術(shù)可利用半導(dǎo)體材料，在太陽能的驅(qū)動(dòng)下，將CO2催化轉(zhuǎn)化成碳?xì)淙剂?、短碳鏈、高附加價(jià)值化學(xué)品。題中涉及的研究提供了光催化CO2的重要方向。本題考查了化學(xué)鍵、焓變符號(hào)、決速步的判斷等知識(shí)，尤其深度考查了學(xué)生對(duì)陌生信息的分析、處理、整合的能力。如D項(xiàng)，HCN催化下Ⅱ→Ⅲ為吸熱過程，而HCN—A催化下Ⅱ→Ⅲ為放熱過程。

例1是筆者認(rèn)真分析、學(xué)習(xí)了歷年高考反應(yīng)機(jī)理真題后進(jìn)行的模擬創(chuàng)作。確定命題框架和命題程序后，最難的是要選擇合適的情境。筆者通過互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)、期刊等搜索渠道以及《催化計(jì)》《X-MOL》等微信公眾號(hào)，獲取了大量的有關(guān)“反應(yīng)機(jī)理”的文獻(xiàn)資料。認(rèn)真閱讀研究這些文獻(xiàn)，然后依據(jù)測(cè)量目標(biāo)選取符合《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求的文獻(xiàn)作為試題情境的載體。精心設(shè)計(jì)考向，與情境載體有機(jī)融合，考查內(nèi)容要貼合反應(yīng)機(jī)理試題特點(diǎn)。

本題在真題的基礎(chǔ)上又有幾點(diǎn)創(chuàng)新，截取反應(yīng)機(jī)理過程中的部分能量圖，除了各步基元反應(yīng)的反應(yīng)類型、化學(xué)鍵等常規(guī)考點(diǎn)外，還考查了反應(yīng)原理的分析等，所選情境突出了化學(xué)研究對(duì)于環(huán)境保護(hù)的重要指導(dǎo)意義，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任核心素養(yǎng)。在命題時(shí)，信息呈現(xiàn)的選擇上，可將多種類型的機(jī)理圖整合在同一橫縱坐標(biāo)中，以增強(qiáng)試題的開放性和創(chuàng)新性。

【例2】以CH3SH為原料制C2H4的一種反應(yīng)機(jī)理及相對(duì)能量如圖2所示。

圖2

下列有關(guān)說法錯(cuò)誤的是

( )

A.步驟Ⅱ決定了整個(gè)反應(yīng)歷程的反應(yīng)速率

B.步驟Ⅳ的ΔH=-15.6 eV

D.步驟Ⅲ中CH3SH的作用是提供-CH3，故也可用CH3SCH3代替

【參考答案】B

本題取材于《分子催化》期刊上一篇研究論文?？疾榱藳Q速步、焓變計(jì)算、總反應(yīng)式書寫、反應(yīng)物的可行性分析等知識(shí)。本題在真題上的創(chuàng)新之處，主要是信息呈現(xiàn)形式的創(chuàng)新，將反應(yīng)機(jī)理與相對(duì)能量值組合在一個(gè)圖像中，在設(shè)問角度上，D項(xiàng)是創(chuàng)新考向，考查學(xué)生分析步驟Ⅲ發(fā)生的是取代反應(yīng)，繼而推理出CH3SCH3也可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)目標(biāo)。

2.原創(chuàng)試題命制的一般策略

原創(chuàng)試題的命制并非空中樓閣，反應(yīng)機(jī)理這類試題的命制，主要是選取好素材、在常見考向基礎(chǔ)上選創(chuàng)設(shè)問內(nèi)容。命制該類試題的一般策略見圖3。

圖3 命制反應(yīng)機(jī)理試題的一般策略

綜上，筆者通過對(duì)反應(yīng)機(jī)理及能量圖試題的考情、考向的歸納，為教學(xué)提供了一定的思路。為了提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，教師提升原創(chuàng)試題的命制能力勢(shì)在必行，筆者提供了命制此類試題的一般策略，以期拋磚引玉。

四、高考預(yù)測(cè)

1.題型預(yù)測(cè)

反應(yīng)歷程往往伴隨著能量變化，縱觀歷年高考化學(xué)試題可知，有關(guān)反應(yīng)機(jī)理的常見類型有拋物線機(jī)理能量圖、能壘機(jī)理圖、直線型機(jī)理圖、鐘狀圖式機(jī)理圖、反應(yīng)步驟的書寫和分析等。該內(nèi)容主要是以選擇題形式進(jìn)行考查，也不乏在非選擇題中出現(xiàn)。

從2019—2021年的變化中可發(fā)現(xiàn)，拋物線機(jī)理圖常在浙江選考中出現(xiàn)，直線型機(jī)理圖常在江蘇省真題中出現(xiàn)。隨著新高考的推進(jìn)，湖南省率先創(chuàng)新考向，將能壘機(jī)理圖與鐘狀圖式機(jī)理圖組合考查，廣東、天津的高考真題出現(xiàn)了拋物線型機(jī)理圖，河北、山東高考題傾向能壘機(jī)理圖的考查。值得關(guān)注的是未來的考題中有關(guān)基元反應(yīng)的分析與書寫的考查可能會(huì)增大比例。

未來高考化學(xué)的試題，仍會(huì)保持一定的力度來考查該內(nèi)容。從題型角度而言，為了體現(xiàn)試題的綜合性、創(chuàng)新性，應(yīng)會(huì)出現(xiàn)多種機(jī)理圖示即組合式題型，在變式中靈活考查學(xué)生的必備知識(shí)、關(guān)鍵能力，層級(jí)式考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，具有較高的梯度性。

2.考向歸納及預(yù)測(cè)

反應(yīng)機(jī)理的最終研究目標(biāo)是服務(wù)生活、生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，這也決定了該題型的考向是有規(guī)律可循的。筆者通過近年有關(guān)高考試題的分析，對(duì)此部分的考向與題型進(jìn)行了歸納總結(jié)，如圖4至圖7所示。

圖4 拋物線能量圖考向歸納及預(yù)測(cè)

圖5 直線型機(jī)理題考向歸納及預(yù)測(cè)

圖6 鐘狀圖式反應(yīng)機(jī)理考向歸納及預(yù)測(cè)

圖7 能壘圖式機(jī)理題考向歸納及預(yù)測(cè)

五、結(jié)束語

在高三化學(xué)復(fù)習(xí)中，尤其是三輪復(fù)習(xí)階段，如何進(jìn)一步提升學(xué)生的復(fù)習(xí)效率，是當(dāng)前教師應(yīng)研究的重大課題。教師若是能夠從原創(chuàng)試題命制的角度展開，在課堂上引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行試題的命制，讓學(xué)生從命題者的角度來審視試題，提升學(xué)生的創(chuàng)新思維，相信能夠讓學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科的認(rèn)知更上一層樓。