物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)題源解密與思維建模

作者簡(jiǎn)介：李橋生，南昌市優(yōu)秀教育工作者、優(yōu)秀班主任。多項(xiàng)教學(xué)教研成果在第十五、十六屆全國(guó)基礎(chǔ)教育化學(xué)新課程實(shí)施成果征集與評(píng)選中榮獲特等獎(jiǎng)、精品成果獎(jiǎng)、優(yōu)秀成果獎(jiǎng)，并受邀現(xiàn)場(chǎng)展示。江西省第二十六屆中小學(xué)教師優(yōu)秀教學(xué)資源展示一等獎(jiǎng)，江西省第五屆中小學(xué)班主任育人風(fēng)采展一等獎(jiǎng)，江西省新課標(biāo)實(shí)驗(yàn)教育成果展示“我學(xué)新課標(biāo)”征文二等獎(jiǎng)，17節(jié)省級(jí)公開課被“贛教云”平臺(tái)收錄，曾多次在省市化學(xué)教研活動(dòng)進(jìn)行課例、講座分享。

近年來，高考化學(xué)考試越來越注重創(chuàng)新，創(chuàng)新題在高考化學(xué)考試中的比例逐漸增加。高考中對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)板塊的考查年年有變、年年有新，考查考生的綜合素質(zhì)，要求考生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)、靈活的應(yīng)用能力和深刻的思考能力。本文對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)高考創(chuàng)新題追根溯源，為考生備考提供指導(dǎo)和實(shí)踐參考。

一、探尋命題規(guī)律，洞悉考查趨勢(shì)

結(jié)合近三年的高考試題我們可以發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的考查主要以兩種題型出現(xiàn)，即選擇題和非選擇題。其中既有獨(dú)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(shí)行，最大的變化是在選擇題中出現(xiàn)了考查物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)選修模塊內(nèi)容的試題，且具有一定的分散性，在阿伏加德羅常數(shù)的判斷、有機(jī)物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、元素推斷、反應(yīng)機(jī)理等題目中均會(huì)涉及，單獨(dú)考查物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的選擇題主要以分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)內(nèi)容為主，但分析2023年的高考化學(xué)試題可以看出，考查晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的選擇題也開始多了起來，尤其是在主觀題取消了物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模塊試題以后，有關(guān)晶胞結(jié)構(gòu)的考查就可以設(shè)置在選擇題當(dāng)中了，需要引起同學(xué)們的額外重視。關(guān)于元素推斷類題目，命題形式?jīng)]有大的變化，主要變化是將選修模塊內(nèi)容融入到了元素推斷當(dāng)中，如第一電離能、電負(fù)性、核外電子排布、雜化類型、化學(xué)鍵類型、鍵角等知識(shí)是?？純?nèi)容?？傮w而言，有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、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(shí)點(diǎn)多，已經(jīng)成為高考的重點(diǎn)考查內(nèi)容。物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)高頻考點(diǎn)如圖1所示。

非選擇題中對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的考查往往更為集中，從試題的構(gòu)成來看，給出一定的知識(shí)背景，然后設(shè)置成4～5個(gè)小題，每個(gè)小題考查一個(gè)知識(shí)要點(diǎn)是主要的命題模式，內(nèi)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(fù)性、雜化方式以及空間構(gòu)型等，也可聯(lián)系有機(jī)化學(xué)考查有機(jī)物中C 原子的雜化，聯(lián)系數(shù)學(xué)幾何知識(shí)考查晶體的計(jì)算等，一般利用均攤法考查晶胞中的原子個(gè)數(shù)，或者考查晶體的化學(xué)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(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)相關(guān)知識(shí)的考查分散融入到化工流程、反應(yīng)原理、有機(jī)流程推斷等經(jīng)典題型中進(jìn)行考查。

二、例談高考真題，追溯題源

1.立足教材，加強(qiáng)教考銜接。

2023年高考全國(guó)卷化學(xué)選擇題中物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)考查情況如表1所示。

2023年高考全國(guó)卷化學(xué)非選擇題中物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)考查情況如表2所示。

基于對(duì)2023年高考化學(xué)全國(guó)卷物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)相關(guān)試題的分析，我們不難發(fā)現(xiàn)高考均是按照高中化學(xué)的課程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行命題的，重視教材，突出化學(xué)主干知識(shí)的考查。

例1 中國(guó)科學(xué)家首次成功制得大面積單晶石墨炔，是碳材料科學(xué)的一大進(jìn)步。

下列關(guān)于金剛石、石墨、石墨炔的說法正確的是（ ）。

A.三種物質(zhì)中均有碳碳原子間的σ鍵

B.三種物質(zhì)中的碳原子都是sp3 雜化

C.三種物質(zhì)的晶體類型相同

D.三種物質(zhì)均能導(dǎo)電

答案：A

該試題涉及化學(xué)鍵、晶體類型、雜化方式等知識(shí)。其中金剛石和石墨是教材中重點(diǎn)介紹的典型晶體和材料，體現(xiàn)了化學(xué)的學(xué)科價(jià)值，引導(dǎo)考生從基礎(chǔ)化學(xué)知識(shí)的角度去觀察思考新事物、新技術(shù)、新方法，落實(shí)高考評(píng)價(jià)體系中的創(chuàng)新性考查要求。

現(xiàn)行教材物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)板塊有關(guān)金剛石和石墨的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.打通模塊，凸顯學(xué)科思維。

從化學(xué)學(xué)科體系來看，化學(xué)的核心思維就是“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”。因此，物質(zhì)結(jié)構(gòu)是化學(xué)的基礎(chǔ)，對(duì)促進(jìn)其他模塊如有機(jī)化學(xué)、反應(yīng)原理的深度學(xué)習(xí)和體系重構(gòu)有著無(wú)可替代的作用。

例2 在光照下，螺吡喃發(fā)生開、閉環(huán)轉(zhuǎn)換而變色，過程如下。下列關(guān)于開、閉環(huán)螺吡喃說法正確的是（ ）。

A.均有手性

B.互為同分異構(gòu)體

C.N 原子雜化方式相同

D.閉環(huán)螺吡喃親水性更好

答案：B

3.關(guān)注學(xué)科融合，考查綜合能力。

命題一般采取新科技、新能源等社會(huì)熱點(diǎn)為背景，主要考查原子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、分子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)和晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。

例3 鑭La和H 可以形成一系列晶體材料LaHn ，在儲(chǔ)氫和超導(dǎo)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。LaHn 屬于立方晶系，晶胞結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖3所示。高壓下，LaH2 中的每個(gè)H 結(jié)合4個(gè)H 形成類似CH4 的結(jié)構(gòu)，即得到晶體LaHx 。下列說法錯(cuò)誤的是（ ）。

A.LaH2 晶體中La的配位數(shù)為8

B.晶體中H 和H 的最短距離：LaH2>LaHx

C.在LaHx 晶胞中，H 形成一個(gè)頂點(diǎn)數(shù)為40的閉合多面體籠

D.LaHx 單位體積中含氫質(zhì)量的計(jì)算式為40/（4.84×10-8）3×6.02×1023g·cm-3

解析：由LaH2 的晶胞結(jié)構(gòu)可知，La位于頂點(diǎn)和面心，晶胞內(nèi)8個(gè)小立方體的中心各有1個(gè)H 原子，若以頂點(diǎn)La研究，與之最近的H 原子有8個(gè)，則La的配位數(shù)為8，故A項(xiàng)正確。由LaHx 晶胞結(jié)構(gòu)可知，每個(gè)H 結(jié)合4個(gè)H 形成類似CH4 的結(jié)構(gòu)，H 和H 之間的最短距離變小，則晶體中H 和H 的最短距離：LaH2>LaHx ，故B項(xiàng)正確。由題干信息可知，在LaHx 晶胞中，每個(gè)H 結(jié)合4個(gè)H形成類似CH4 的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)有8個(gè)，頂點(diǎn)數(shù)為4×8=32，且不是閉合的結(jié)構(gòu)，故C項(xiàng)錯(cuò)誤。1個(gè)LaHx 晶胞中含有5×8=40個(gè)H 原子，含H 質(zhì)量為40/NAg，晶胞的體積為（484.0×10-10cm）3=（4.84×10-8）3cm3，則LaHx 單位體積中含氫質(zhì)量的計(jì)算式為40/（4.84×10-8）3×6.02×1023g·cm-3，故D項(xiàng)正確。

答案：C

晶胞的有關(guān)計(jì)算基本是物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模塊必考的內(nèi)容，近年來高考試題往往通過數(shù)學(xué)的“三視圖”“投影圖”進(jìn)行晶胞信息呈現(xiàn)，對(duì)考生的數(shù)理思維、立體空間感等綜合能力要求較高。

三、構(gòu)建思維模型，提升學(xué)科素養(yǎng)

物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的試題命制內(nèi)容有的較為基礎(chǔ)，主要考查考生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)理解與掌握的水平，屬于得分點(diǎn)，必須保證高效順利拿分。而對(duì)于復(fù)雜情境下的區(qū)分性試題，更需強(qiáng)化思維模型，抽絲剝繭，把握關(guān)鍵要素，由低級(jí)的表征知識(shí)逐漸深入，有效遷移，形成知識(shí)的內(nèi)化，使瑣碎的化學(xué)知識(shí)做到形散而神不散的狀態(tài)。

對(duì)于近年來的核心考點(diǎn)，如比較電離能大小、價(jià)層電子對(duì)對(duì)數(shù)判斷方法、比較鍵角大小、比較晶體熔沸點(diǎn)大小、晶胞配位數(shù)的判斷、晶胞原子投影規(guī)律等，我們有必要進(jìn)行思維建模。以晶胞原子投影規(guī)律為例：

1.必備跨學(xué)科知識(shí)整理，增強(qiáng)立體空間想象能力。

2.熟悉經(jīng)典案例，立足試題本源。

3.厘清位置關(guān)系，警示易錯(cuò)情況。

（1）投影在矩形的頂點(diǎn)，原子可能在立方晶胞的頂點(diǎn)，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(gè)小正方形的中心，原子在晶胞內(nèi)部四面體4個(gè)或8個(gè)正四面體空隙。

（責(zé)任編輯 謝啟剛）