王 春 郭春紅

(1.北京教育學(xué)院;2.北京錢學(xué)森中學(xué))

“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊是高中化學(xué)選擇性必修部分的重要內(nèi)容,也是高考考查的重點內(nèi)容,近年來高考化學(xué)試題注重以新功能、新結(jié)構(gòu)材料作為情境素材,考查核外電子排布規(guī)律、元素周期表“位—構(gòu)—性”應(yīng)用、雜化軌道類型和分子空間構(gòu)型、電離能、電負性、晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、晶胞密度計算等核心內(nèi)容,對學(xué)生的知識綜合應(yīng)用能力要求較高。本文就近年來高考化學(xué)試題中有關(guān)“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊常見核心考點的考查動向進行分類介紹,并提出幾點備考建議,供廣大師生進行參考。

一、核心知識考查動向

動向一 有關(guān)基態(tài)原子核外電子排布規(guī)律的考查

這類試題考查內(nèi)容一般是要求考生根據(jù)所學(xué)的構(gòu)造原理、能量最低原理、泡利原理、洪特規(guī)則等知識來書寫電子排布式,高考命題形式一般是給出某一原子,要求寫出電子排布式或電子排布圖、價電子排布式中的某一種。解答此類試題時需要首先確定題目中給出的元素所對應(yīng)的基態(tài)原子在元素周期表中的位置,并判斷該原子是否為高中常見的特殊原子,注意書寫特殊原子電子排布式一定要考慮電子進入能級的順序。

【例1】(1)(2020年全國Ⅰ卷節(jié)選)基態(tài)Fe2+與Fe3+離子中未成對的電子數(shù)之比為________。

(2)(2022年廣東卷節(jié)選)已知Se與S同族,基態(tài)硒原子價電子排布式為________。

(3)(2022年全國甲卷節(jié)選)基態(tài)F原子的價電子排布圖(軌道表示式)為________。

動向二 有關(guān)元素“位—構(gòu)—性”知識綜合應(yīng)用的考查

這類試題的題干中主要提供元素的周期數(shù)及元素核外電子的數(shù)量關(guān)系,或者提供元素周期表的部分結(jié)構(gòu)和部分元素在周期表中的位置等信息。解答此類試題時可先通過核外電子的排布特點及數(shù)量關(guān)系或根據(jù)周期表的片段結(jié)構(gòu)確定所在周期,再確定試題中的相應(yīng)元素,最后分析推斷元素單質(zhì)及其化合物的性質(zhì)遞變規(guī)律。

【例2】(2022年全國甲卷,12題)Q、X、Y、Z是原子序數(shù)依次增大的短周期主族元素,其最外層電子數(shù)之和為19。Q與X、Y、Z位于不同周期,X、Y相鄰,Y原子最外層電子數(shù)是Q原子內(nèi)層電子數(shù)的2倍。下列說法正確的是

( )

A.非金屬性:X>Q

B.單質(zhì)的熔點:X>Y

C.簡單氫化物的沸點:Z>Q

D.最高價含氧酸的酸性:Z>Y

【解析】依題意知Q、X、Y、Z為原子序數(shù)依次增大的短周期主族元素,Q與X、Y、Z不在同一周期,Y原子最外層電子數(shù)為Q原子內(nèi)層電子數(shù)的2倍,則Q應(yīng)為第二周期元素,X、Y、Z位于第三周期,Y的最外層電子數(shù)為4,則Y為Si元素,X、Y相鄰,且X的原子序數(shù)小于Y,則X為Al元素,Q、X、Y、Z的最外層電子數(shù)之和為19,則Q、Z的最外層電子數(shù)之和為19-3-4=12,主族元素的最外層電子數(shù)最多為7,若Q的最外層電子數(shù)為7,為F元素,Z的最外層電子數(shù)為5,為P元素,若Q的最外層電子數(shù)為6,為O元素,則Z的最外層電子數(shù)為6,為S元素,若Q的最外層電子數(shù)為5,為N元素,Z的最外層電子數(shù)為7,為Cl元素;綜上所述,Q為N或O或F,X為Al,Y為Si,Z為Cl或S或P,據(jù)此分析解題。X為Al,Q為N或O或F,同一周期從左往右元素非金屬性依次增強,同一主族元素非金屬性從上往下依次減弱,故非金屬性:Q>X,A選項錯誤;X為Al(屬于金屬晶體),Y為Si(屬于共價晶體),故單質(zhì)熔點Si>Al,即Y>X,B選項錯誤;含有氫鍵的物質(zhì)沸點升高,由分析可知Q為N或O或F,其簡單氫化物為NH3或H2O或HF,Z為Cl或S或P,其簡單氫化物為HCl或H2S或PH3,由于前者物質(zhì)中存在分子間氫鍵,而后者物質(zhì)中不存在,故沸點Q>Z,C選項錯誤;元素的非金屬性越強,其最高價含氧酸的酸性越強,P、S、Cl的非金屬性均強于Si,因此最高價含氧酸的酸性:Z>Y,D選項正確;故本題正確答案為D。

【例3】(2022年廣東卷,7題)甲～戊均為短周期元素,在元素周期表中的相對位置如圖所示。戊最高價氧化物對應(yīng)的水化物為強酸。下列說法不正確的是

( )

A.原子半徑:丁>戊>乙

B.非金屬性:戊>丁>丙

C.甲的氫化物遇氯化氫一定有白煙產(chǎn)生

D.丙的最高價氧化物對應(yīng)的水化物一定能與強堿反應(yīng)

【解析】依據(jù)題意知甲～戊是短周期元素,戊的最高價氧化物對應(yīng)水化物為強酸,則可能是硫酸或高氯酸,若是高氯酸,則戊為Cl,甲為N、乙為F、丙為P、丁為S,若是硫酸,則戊為S,甲為C、乙為O、丙為Si、丁為P。根據(jù)同周期元素的原子從左到右,原子半徑減小;同主族元素的原子從上到下,原子半徑逐漸增大,則原子半徑:丁>戊>乙,A選項正確;根據(jù)同周期元素從左到右非金屬性逐漸增強,則非金屬性:戊>丁>丙,B選項正確;甲的氫化物可能為氨氣,也可能為甲烷、乙烷等,若是氨氣,則遇氯化氫一定有白煙產(chǎn)生,若是甲烷、乙烷等,則遇氯化氫不反應(yīng),沒有白煙生成,C選項錯誤;丙的最高價氧化物對應(yīng)的水化物可能是硅酸也可能是磷酸,都能與強堿反應(yīng),D選項正確。綜上所述本題正確答案為C。

動向三 有關(guān)主族元素第一電離能及電負性知識的考查

這類試題考查內(nèi)容主要涉及主族元素之間的第一電離能、電負性的大小的相互比較。解答這類試題應(yīng)注意考慮ⅡA、ⅤA族元素最外層s或p能級電子軌道處于全充滿或半充滿的狀態(tài),第一電離能比相鄰族的要大。同一周期從左到右,元素的第一電離能從小到大的順序是ⅠA<ⅢA<ⅡA<ⅣA<ⅥA<ⅤA<ⅦA,同一主族從上到下,元素的第一電離能逐漸減小,同一周期從左到右,元素的電負性逐漸增大(0族元素除外)。

【例4】(1)(2022年全國甲卷節(jié)選)圖a、b、c分別表示C、N、O和F的逐級電離能I變化趨勢(縱坐標(biāo)的標(biāo)度不同)。第一電離能的變化圖是________(填標(biāo)號),判斷的根據(jù)是________;第三電離能的變化圖是________(填標(biāo)號)。

圖a

圖b

圖c

(2)(2022年湖南卷節(jié)選)富馬酸亞鐵(FeC4H2O4)是一種補鐵劑。富馬酸分子的結(jié)構(gòu)模型如圖所示:

富馬酸亞鐵中各元素的電負性由大到小的順序為________。

【解析】(1)C、N、O、F四種元素在同一周期,同一周期第一電離能的總體趨勢是依次升高的,但由于N元素的2p能級為半充滿狀態(tài),因此N元素的第一電離能較C、O兩種元素高,因此C、N、O、F四種元素的第一電離能從小到大的順序為CC>H>Fe。

動向四 有關(guān)雜化軌道及微粒空間構(gòu)型知識的考查

這類試題考查內(nèi)容主要涉及雜化軌道類型的判斷、空間構(gòu)型的判斷、等電子體的書寫與利用等電子體原理書寫電子式和結(jié)構(gòu)式、判斷空間構(gòu)型等內(nèi)容。解答此類試題應(yīng)注意首先運用價層電子對互斥理論確定中心原子價層電子對數(shù),然后運用雜化軌道理論判斷中心原子雜化類型,再依據(jù)中心原子價層電子對數(shù)和雜化類型推斷粒子的空間構(gòu)型。

①產(chǎn)物中N原子的雜化軌道類型為________;

動向五 有關(guān)化學(xué)鍵與物質(zhì)的性質(zhì)知識的考查

這類試題考查內(nèi)容主要涉及σ鍵和π鍵的數(shù)目判斷、配位鍵與配合物、極性分子與非極性分子、范德華力與氫鍵對物質(zhì)性質(zhì)的影響等內(nèi)容。解答此類試題應(yīng)注意重點掌握以下幾點知識:(1)共價鍵按軌道重疊方式分為:σ鍵(“頭碰頭”重疊)和π鍵(“肩并肩”重疊);按兩原子間成鍵的數(shù)目分為單鍵(單鍵、配位鍵全是σ鍵)、雙鍵(一個是σ鍵,另一個是π鍵)、三鍵(一個是σ鍵,另兩個是π鍵)。(2)由極性鍵構(gòu)成的非極性分子在結(jié)構(gòu)上要高度對稱,如直線形、平面正三角形、正四面體形這樣才能使正負電荷的中心重合。(3)氫鍵是當(dāng)氫原子與電負性較大(N、O、F)的原子以共價鍵結(jié)合時產(chǎn)生的特殊分子間作用力,使物質(zhì)的熔沸點升高,溶解性變大。

【例6】(1)(2022年北京卷節(jié)選)已知FeSO4·7H2O 結(jié)構(gòu)示意圖如圖。

(2)(2020年山東卷節(jié)選)NH3、PH3、AsH3的沸點由高到低的順序為__________________(填化學(xué)式,下同),還原性由強到弱的順序為______________,鍵角由大到小的順序為________。

動向六 有關(guān)晶體類型與晶胞的計算知識的考查

這類試題考查內(nèi)容主要涉及晶體與晶胞的關(guān)系、晶胞中粒子數(shù)目的計算,試題考查形式一般為確定化學(xué)式、計算晶體密度、計算晶體中微粒間距離和確定原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)等。解答此類試題首先應(yīng)注意掌握典型晶體類型、晶胞模型及相關(guān)性質(zhì),學(xué)會應(yīng)用“均攤法”計算晶胞中粒子數(shù)目,并運用相關(guān)數(shù)學(xué)思維和計算公式對典型晶體進行相關(guān)計算。

【例7】(1)(2022年廣東卷節(jié)選)我國科學(xué)家發(fā)展了一種理論計算方法,可利用材料的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)預(yù)測其熱電性能,該方法有助于加速新型熱電材料的研發(fā)進程。化合物X是通過該方法篩選出的潛在熱電材料之一,其晶胞結(jié)構(gòu)如圖甲,沿x、y、z軸方向的投影均為圖乙。

圖甲

圖乙

①X的化學(xué)式為________。

②設(shè)X的最簡式的式量為Mr,晶體密度為ρg·cm-3,則X中相鄰K之間的最短距離為________nm(列出計算式,NA為阿伏加德羅常數(shù)的值)。

(2)(2021年海南卷節(jié)選)MnS晶胞與NaCl晶胞屬于同種類型,如圖所示。

二、復(fù)習(xí)備考幾點啟示

(一)教學(xué)中注重聯(lián)系生活實際,合理選取情境素材

近年來高考試卷中“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”試題情境的創(chuàng)設(shè)緊密聯(lián)系學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活實際,體現(xiàn)了科學(xué)、技術(shù)、社會和環(huán)境發(fā)展的成果,有利于培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”。物質(zhì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容比較抽象,在教學(xué)中應(yīng)盡量聯(lián)系與學(xué)生生活密切相關(guān)的問題,激發(fā)學(xué)生對物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的學(xué)習(xí)興趣。教學(xué)內(nèi)容還應(yīng)該注重融入體現(xiàn)時代性的生活情境素材,如手性藥物設(shè)計、催化材料、超導(dǎo)材料、納米材料等新型材料,拓寬學(xué)生的知識視野,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

(二)教學(xué)中注重建模推理,發(fā)展學(xué)生對概念的理解及辨析

近年來高考試卷中“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”試題提供了大量的文字信息和新圖表信息,要求學(xué)生基于相關(guān)信息,運用模型推測或解釋物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)特點,推測物質(zhì)的性質(zhì)。解答此類題目需要學(xué)生具備一定的信息加工能力、歸納推理能力和模型認(rèn)知能力。因此,在“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊教學(xué)中,應(yīng)該注重促進學(xué)生理解物質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)概念的內(nèi)涵,對相似的化學(xué)基本概念進行比較和辨析,體會物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的基本思路和方法,發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

(三)教學(xué)中注重構(gòu)建?？碱}型解題模型,提煉解題方法和策略

近年來高考試卷中“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”試題考查的核心知識點較為零散,試題對學(xué)生的空間思維能力和計算能力要求較高。教師在教學(xué)中應(yīng)注意借助多種手段,如模型、動畫等手段,讓學(xué)生加強對空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)識與理解,從而提升分析與計算能力。結(jié)合近年來高考化學(xué)試題進行專題訓(xùn)練,針對易失分題型,重點突破,構(gòu)建各類題型的答題模板、解題模型,提煉試題的解題方法和解題策略。