在備戰(zhàn)高考中科學(xué)探究 在拓展建模中行成于思
——以關(guān)于元素周期律內(nèi)容的高考化學(xué)題為例

李成寶

(山東省青島西海岸新區(qū)膠南第一高級(jí)中學(xué))

在近年來(lái)全國(guó)和各省市自主命題的高考化學(xué)試題中涉及元素周期律的相關(guān)試題是屢見(jiàn)不鮮的.這類試題多以元素的原子結(jié)構(gòu)、元素的性質(zhì)等形式呈現(xiàn),考查證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng).

1 典例展示,挖掘高考命題的內(nèi)涵

例一種麻醉劑的分子結(jié)構(gòu)式如圖1所示.其中,X 的原子核只有1 個(gè)質(zhì)子;元素Y、Z、W 原子序數(shù)依次增大,且均位于X 的下一周期;元素E 的原子比W 原子多8個(gè)電子.下列說(shuō)法不正確的是( ).

圖1

A.XEZ4是一種強(qiáng)酸

B.非金屬性:W＞Z＞Y

C.原子半徑:Y＞W(wǎng)＞E

D.ZW2中,Z的化合價(jià)為＋2價(jià)

試題賞析試題以“首尾相同”的分子結(jié)構(gòu)式為載體將元素周期律問(wèn)題展現(xiàn)給學(xué)生,是一種對(duì)化學(xué)模型的認(rèn)知形式.問(wèn)題情境中“X 的原子核只有1 個(gè)質(zhì)子”有了從“1”開(kāi)始的寓意.隨之而來(lái)的問(wèn)題探究,使得對(duì)元素在周期表中的位置和原子核外電子數(shù)的探究復(fù)雜化,讓試題變得“撲朔迷離”起來(lái),給學(xué)生一種新鮮感.探究以選擇題的形式呈現(xiàn),選擇的答案在元素的性質(zhì)、原子半徑的比較和元素化合價(jià)的判斷等方面,體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的化學(xué)思想.

2 典例剖析,研究問(wèn)題的切入點(diǎn)

典例選擇的是一道廣東省高考化學(xué)試卷中的選擇題,從選項(xiàng)看,要求解決4個(gè)方面的問(wèn)題,其設(shè)置的內(nèi)容是對(duì)相關(guān)化學(xué)知識(shí)的高度綜合.題干情境包括2個(gè)方面的內(nèi)容,一是文字?jǐn)⑹?二是分子結(jié)構(gòu)式的示意圖,體現(xiàn)了“化零為整”的過(guò)程.解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于推斷出5種對(duì)應(yīng)的元素.由“結(jié)構(gòu)”特征來(lái)體現(xiàn)“元素”,再由具體元素的特性判斷試題的選項(xiàng),是“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、性質(zhì)演繹化學(xué)原理”的映射.

解法探究結(jié)合題干文字?jǐn)⑹龊头肿咏Y(jié)構(gòu)示意圖,分析各字母代表的相應(yīng)元素結(jié)果如圖2所示.

圖2

根據(jù)分析可知XEZ4是HClO4,是一種強(qiáng)酸,選項(xiàng)A正確.W是F元素,Z和Y分別是O元素和C元素,因此可以得出選項(xiàng)B正確.原子半徑可以根據(jù)“電子層數(shù)越多,原子半徑越大”的規(guī)律判斷,Cl原子比C和F 的原子核外多了一層電子,因此Cl原子的半徑一定比F 原子的半徑大,選項(xiàng)C 不正確.ZW2是OF2,F的非金屬性強(qiáng),故分子中O 元素的化合價(jià)為＋2,選項(xiàng)D 正確.答案為C.

反思在解答題干有文字?jǐn)⑹龊头肿咏Y(jié)構(gòu)示意圖的元素周期律類試題時(shí),對(duì)分子結(jié)構(gòu)模型的認(rèn)知是核心(文字描述也不能忽略),推斷出各字母代表的相應(yīng)元素是前提,利用元素在周期表中的位置和元素具有的特性是突破選項(xiàng)問(wèn)題的重要環(huán)節(jié).筆者通過(guò)對(duì)典型例題的分析,讓學(xué)生感悟元素(選擇題一般考查短周期元素)在分子結(jié)構(gòu)式中的成鍵特征,如表1所示.

表1

3 變式演練,構(gòu)建“元素周期律”問(wèn)題的模型

2021年河北卷的第11題與典例具有異曲同工之妙,筆者認(rèn)為在復(fù)習(xí)備考中不妨作為課堂變式練習(xí),以達(dá)到引導(dǎo)學(xué)生對(duì)知識(shí)建模的目的.

變式1如圖3所示的2種化合物可應(yīng)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 原子的價(jià)電子數(shù)的3 倍.下列說(shuō)法中正確的是( ).

圖3

A.X 和Z的最高化合價(jià)均為＋7價(jià)

C.4 種元素中,Y 原子半徑最大,X 原子半徑最小

D.Z、W 和氫3種元素可形成同時(shí)含有離子鍵和共價(jià)鍵的化合物

創(chuàng)設(shè)目的與典例類型相似的試題在不同省市的高考化學(xué)卷中頻繁出現(xiàn),這說(shuō)明了該類試題是高考的熱點(diǎn)命題形式,用此題作為課堂變式練習(xí)可以引起學(xué)生的高度重視,也為這類試題解法建模營(yíng)造了良好的環(huán)境.

解法分析解答本題時(shí),學(xué)生仍然需要結(jié)合題干文字?jǐn)⑹鲂畔⒑头肿咏Y(jié)構(gòu)示意圖進(jìn)行分析.根據(jù)“X 和Z同主族”及分子結(jié)構(gòu)示意圖可知X 和Z 形成一價(jià)鍵,分別是F元素和Cl元素;Y 形成五價(jià)鍵(與典例分子結(jié)構(gòu)式不同之處是本題出現(xiàn)了“雙鍵”),是第ⅤA族元素,在F 與Cl之間,所以Y 是P元素.再結(jié)合文字描述“Y 原子序數(shù)為W 原子的價(jià)電子數(shù)的3倍”,故W 原子價(jià)電子數(shù)是5,為N 元素.推斷出各字母代表的元素之后,再分析選項(xiàng).F 沒(méi)有正價(jià),選項(xiàng)A 不正確.HF的水溶液為弱酸,排除選項(xiàng)B,選項(xiàng)C 與典例分析相同.N、P、H 3 種元素可形成磷酸銨鹽,如NH4H2PO4是同時(shí)含有離子鍵和共價(jià)鍵的化合物,選項(xiàng)D 正確.答案為D.

反思1)在結(jié)構(gòu)式中出現(xiàn)即雙鍵,為二價(jià)鍵;在結(jié)構(gòu)式中出現(xiàn)“≡”即三鍵,為三價(jià)鍵.2)必須將文字與結(jié)構(gòu)式相結(jié)合,拋開(kāi)其中一點(diǎn)就可能出現(xiàn)失誤,如果只觀察結(jié)構(gòu)式,學(xué)生會(huì)因W 呈現(xiàn)三價(jià)鍵而可能誤判為B 元素,導(dǎo)致不能辨析選項(xiàng)D 說(shuō)法是否正確.

變式2如圖4所示是一種可用于有機(jī)物的脫色和漂白等的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)式,其中X、W、Y、M、Z 是短周期主族元素且原子序數(shù)依次增大,Y 與Z屬于同一主族元素.下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是( ).

圖4

A.除W 外,其他4種元素簡(jiǎn)單離子半徑比較,Z的最大、X 的最小

B.M、Z和Y3種元素形成的化合物中同種元素的原子間可以形成共價(jià)鍵

C.Y 的簡(jiǎn)單氫化物的沸點(diǎn)比W 的高

D.除X 以外,其他4 種元素在物質(zhì)中均滿足8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)

創(chuàng)設(shè)目的與典例的不同之處是結(jié)構(gòu)式是一種離子的形式,通過(guò)該變式的訓(xùn)練讓學(xué)生對(duì)離子與結(jié)構(gòu)的關(guān)系進(jìn)行建模.

解法分析結(jié)合文字與結(jié)構(gòu)式分析,“Y 與Z 屬于同一主族元素”,在結(jié)構(gòu)式中Y 呈現(xiàn)二價(jià)鍵、Z為四價(jià)鍵,故推斷Y 是O 元素、Z是S元素,M 形成帶1個(gè)單位正電荷的離子,原子序數(shù)在Y 和Z之間,故M 是Na元素;X、W 的原子序數(shù)在O 元素之前,X 呈一價(jià)鍵、W 呈四價(jià)鍵,故X 是H 元素、W 是C元素.然后對(duì)選項(xiàng)進(jìn)行辨析不難得出本題答案為D.

反思 1)原子半徑與離子半徑大小是不同的,如O 原子核外電子比Na原子少一層,因此原子半徑r(O)＜r(Na);而O2－比Na＋核電荷數(shù)少,電子構(gòu)型相同,半徑是前者大,r(O2－)＞r(Na＋).2)所謂的“滿足8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)”,不是指原子的價(jià)層電子對(duì)數(shù)為4,而是指原子的價(jià)層所有的電子.作為短周期主族元素,原子的價(jià)層所有的電子等于其主族數(shù)與價(jià)鍵數(shù)的和.例如,圖4中Z(S元素)的“電子結(jié)構(gòu)”是6＋4＝10,不滿足8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu).3)在圖4結(jié)構(gòu)式中Y 出現(xiàn)一價(jià)鍵和二價(jià)鍵,出現(xiàn)一價(jià)鍵的原因是Y 在帶1個(gè)單位負(fù)電荷的陰離子團(tuán)中得到1個(gè)電子,故從二價(jià)鍵變成一價(jià)鍵.

總之,高考化學(xué)試題中涉及元素周期律相關(guān)內(nèi)容的命題是近年來(lái)的熱點(diǎn).因此,在備考階段,教師可以將這類試題以例題引導(dǎo)和變式訓(xùn)練的形式展開(kāi),在不同的層面進(jìn)行分析,從而達(dá)到解題建模的目的.

(完)