化學考試大綱隱藏的命題趨勢

孟凡盛　許娟

孟凡盛，湖北省特級教師，全國高中化學教學改革優秀教師，武漢市學科帶頭人。培養了多名省、市理科狀元，多名學生高考化學獲滿分。

2014年高考化學考試大綱這樣敘述化學科考核目標與要求：“化學科命題注重測量自主學習的能力，重視理論聯系實際，關注與化學有關的科學技術、社會經濟和生態環境的協調發展，以促進學生在知識和技能、過程和方法、情感態度和價值觀等方面的全面發展”；要求考生“了解科學、技術、社會的相互關系（如化學與生活、材料、能源、環境、生命過程、信息技術的關系等）”。在深入研究考試大綱和近幾年高考試題的基礎上，我們認為石墨烯、儲氫材料、微生物燃料電池、人工光合作用、溫室氣體的科學利用、氫化物等這些與中學化學基礎知識密切相關，在解決能源問題和環境問題方面有良好應用前景的新材料、新技術、新理念，符合高考化學考核目標與要求，極有可能成為今后高考命題的新素材。本文通過挖掘這些新素材中的基礎化學知識，設計了部分試題，希望對考生高考前的最后沖刺有些幫助。

一、關注新材料中的基本概念和基本理論

1.石墨烯

石墨烯目前是世上最薄、最堅硬、導電性最好的納米材料，有望代替硅生產超級計算機；它的質量輕、強度高，可用來開發出紙片般薄的超輕型飛機材料、超堅韌的防彈衣。自2004年從石墨中分離出石墨烯之后，關于石墨烯的研究報道如雨后春筍般涌現，在Science、Nature上相關報道就有400余篇，又一場碳化學的革命正在悄然興起。

例1 石墨烯是由碳原子構成的單層片狀結構的新材料（結構示意圖如圖），可由石墨剝離而成，具有極好的應用前景。下列說法正確的是（ ）

A.石墨烯與石墨互為同位素

B.0.12 g石墨烯中含6.02×1022個碳原子

C.石墨烯是一種有機物

D.石墨烯中碳原子間以共價鍵結合

解析：質子數相同而中子數不同的同一元素的不同原子互稱為同位素，如12C和14C互為同位素。相同元素形成的具有不同性質的單質互稱為同素異形體，石墨烯與石墨是由碳元素形成的具有不同性質的碳單質，二者互為同素異形體的關系，A不正確。n（C）=0.12 g/（12 g·mol-1）=0.01 mol，N（C）=0.01 mol×6.02×1023 mol-1=6.02×1021，B不正確。石墨烯是碳元素形成的一種單質，不是化合物，也不是有機物，C不正確。

答案：D。

友情提醒：石墨、金剛石、足球烯、碳納米管、石墨烯都是碳的同素異形體。

例2 指出石墨烯中碳原子的雜化類型，簡述石墨烯導電的原因 。

答案：每個碳原子均以sp2雜化與周圍的3個碳原子通過共價鍵結合，剩余一個未參與雜化的2p電子可以自由移動。

例3 石墨烯的導電性好，有望代替硅生產超級計算機。用有機物甲、乙合成石墨烯的反應（部分產物未寫出）如下。下列敘述正確的是（ ）

①

②

A.甲、乙中均含有碳碳雙鍵

B.反應①是取代反應

C.反應②是氧化反應

D.甲分子中的5個苯環可能共平面

解析：乙分子中含有碳碳三鍵和苯環，苯環中含σ鍵和大π鍵，沒有碳碳雙鍵，A不正確。甲與乙通過雙烯合成反應形成了正中間的六元環，故反應①不是取代反應，B不正確。根據有機物去氫發生氧化反應知C正確。甲分子中有4個苯環，中間的五元環不是苯環，D不正確。

答案：C。

2.儲氫材料

氫能作為一種儲量豐富、來源廣泛、能量密度高的綠色能源，在燃料電池以及替代化石燃料等方面展現了很好的應用前景。在利用過程中，其儲存和運輸是關鍵。因此，尋找高效低成本且又能規模化利用的儲氫方法就成為研究熱點。

例4 尋找高效儲氫材料一直是化學家研究的重要課題。

（1） Li3N、Li2NH是非常有前景的儲氫材料，儲氫反應如下：

Li3N+2H2LiNH2+2LiH

Li2NH+H2 LiNH2+LiH

①上述反應的氧化產物是 。

②上述儲氫反應必須在無水、無氧的條件下進行，原因是 。

（2）苯與環己烷的相互轉化可以實現氫氣的儲存與獲取：

（1）+3H2（g）（1） ΔH=-205.9 kJ/mol

用該法獲取的1 mol H2可提供 kJ的凈能量[已知：2H2（g）+O2（g）=2H2O（g） ΔH=-483.6 kJ/mol]。

（3）潛在儲氫材料——化合物 A 是第二周期兩種氫化物形成的，相對分子質量為30.8。剛融化的 A 釋放氫氣轉變為B，B不穩定易聚合成聚合物C，C在155 ℃釋放氫氣轉變為D，高于500 ℃時D釋放氫氣，轉變為二元化合物E。A、B、D分別是乙烷、乙烯、苯的等電子體。（相對原子質量：H—1 B—10.8 N—14）

①A的結構式為 ，C的結構簡式為 ，E的化學式為 。

②A轉變為E總共釋放的氫氣所占的質量分數為 。

③寫出D的結構式 ，D的二氯取代物有 種。

④為使A再生，有人設計了化合物D在水蒸氣存在下與甲烷反應，寫出A再生的化學方程式 。

解析：（1） 判斷陌生氧化還原反應的氧化產物，符合考試大綱中“了解常見的氧化還原反應”及“根據化學式判斷化合價”的考核要求。該儲氫反應是氫元素的歧化反應，一部分H2（0價）得電子生成的LiH（-1價H）是還原產物，一部分H2（0價）失電子生成的LiNH2（+1價H）是氧化產物。LiH中-1價H陰離子具有強還原性，易被H2O、O2氧化；Li3N、Li2NH、LiNH2容易與水發生水解反應，因此儲氫反應必須在無水、無氧的條件下進行。

（2） 該問的設計依據是考試大綱中“了解熱化學方程式的含義，能用蓋斯定律進行有關反應熱的簡單計算”。由環己烷獲取1 mol H2吸收的能量為：205.9 kJ/3=68.6 kJ，燃燒1 mol H2放出的能量為：483.6 kJ/2=241.8 kJ，提供的凈能量為：241.8 kJ-68.6 kJ =173.2 kJ。

（3）新情景下考查學生知識遷移能力、推理判斷能力。將乙烷分子中的兩個碳原子分別換成一個硼原子和一個氮原子，氮原子的孤電子對與缺電子的硼原子形成配位鍵就是A：H3B←NH3（H3CCH3的等電子體），去氫生成H2B=NH2（CH2=CH2的等電子體）；當聚合度為3，進一步去氫得到苯的等電子體無機苯：，無機苯的間位二氯取代物有2種（兩個氯分別取代兩個硼原子上的氫和兩個氯分別取代兩個氮原子上的氫），鄰位、對位二氯取代物各有1種，共4種。H3BNH3的再生過程就是儲氫過程（是題干中釋氫過程的逆過程），可以理解為：甲烷與水蒸氣反應生成CO2和H2，產生的H2再與無機苯加成得到H3BNH3，即產物為CO2和H3BNH3，根據質量守恒配平即可。

答案：（1） ①LiNH2。②LiH是強還原劑，易與H2O、O2反應；Li3N、Li2NH、LiNH2也易與水反應。

（2）173.2。

（3）①或； [BH2-NH2] n；BN。

②19.5 % （或0.195） 。

③ ；4。

④3 CH4+2（HBNH）3+6 H2O = 3CO2+6 H3BNH3。

二、關注新技術中的化學反應原理

考試大綱要求考生“了解能源是人類生存和社會發展的重要基礎。了解化學在解決能源危機中的重要作用。”微生物燃料電池和人工光合作用與該要求十分吻合。

1.微生物燃料電池

微生物燃料電池是一種以微生物作為催化劑，將有機物的化學能轉化成電能的先進能源技術。目前人類世界存在環境污染與資源短缺兩大危機，微生物燃料電池在處理有機廢物（包括有機廢水和有機固體廢棄物）的同時產電，實現廢物處理和能源產出雙贏，已成為環保領域研究的熱點。

例5 一種微生物燃料電池工作原理示意圖如下，微生物膜中的酶作催化劑。下列敘述不正確的是（ ）

A.電池工作時，既能凈化廢水，又能發電

B.X電極為負極，工作時發生氧化反應

C.正極反應式為2NO3-+10e-+12H+=N2↑+6H2O

D.該電池在常溫和高溫時都可以工作

解析：本題綜合考查了環境保護、原電池原理、陌生電極反應式書寫、酶等核心知識，同時考查學生觀察理解能力。本題設計符合考試大綱能力要求中的“能夠對中學化學基礎知識融會貫通的能力”。該微生物燃料電池利用廢水中的葡萄糖作還原劑，NO3-作氧化劑，既發電又凈化廢水，A正確。還原劑（葡萄糖）失去電子被氧化生成氧化產物（CO2）的電極是原電池的負極，即X為負極；氧化劑（NO3-）得到電子被還原生成還原產物（N2）的電極是原電池的正極，即Y是正極，B正確。NO3-中+5價的N得電子生成N2，留下的氧離子結合由負極區移動到正極的H+生成水，C正確。酶是蛋白質，高溫時發生變性失去催化活性，故微生物燃料電池在高溫下會失效，D不正確。

答案：D。

友情提醒：（1）陽極（負極）區不變，若將題圖中陰極“含NO3-的廢水”改為“向廢水中通入空氣”，則被還原的物質是氧氣，陰極（正極）電極反應為：O2+4e-+4H+=2H2O。

（2）陽極（負極）區不變，若將題圖中陰極“含NO3-的廢水”改為“含鐵氰化鉀的廢水”，則鐵氰化鉀被還原為亞鐵氰化鉀，電極反應為：[Fe（CN）6]3-+e-=[Fe（CN）6]4-。

（3）陽極（負極）區不變，若將陰極材料改為沒有微生物膜的氧化銀（Ag2O），陰極電解質溶液為含有機物的廢水，被還原的是氧化銀，電極反應為：Ag2O+2e-+ 2H+=2Ag+H2O。生成的銀再制成氧化銀循環使用降低成本。

2.人工光合作用

模擬植物的光合作用，使用太陽光能將水和二氧化碳大規模地直接合成為燃料和化工原料，這種“人工光合作用”技術備受矚目。

例6 如圖為植物光合作用原理示意圖，仔細閱讀后回答下列問題：

（1）從氧化還原的角度看，圖中的光反應是 （填“氧化”或“還原”）反應，其反應式為 ；圖中的暗反應是 （填“氧化”或“還原”）反應，其反應式為 。

（2）指出植物光合作用過程中主要能量轉化方式 ，寫出植物光合作用的化學方程式并用單線橋標明電子轉移的方向和數目 。

（3）科學家模擬植物光合作用，設計了如圖所示的人工光合作用工作原理示意圖制備甲醇，金屬電極上的反應式為 ，總反應的方程式為 。若光催化劑為氮化鎵半導體，請寫出氮化鎵的化學式 ，并指出鎵在元素周期表的位置 。

（4）用人工光合作用制備的CH3OH和H2O2為原料，設計了如下圖所示的燃料電池，圖中A處加入的物質是 ，Y電極上發生的反應是 ，電池工作時H+由 極移向 極（填“X”或“Y”）。

解析：本題力圖反映2014年化學考試大綱強調的化學學習能力要求：“能夠通過對實際事物、實驗現象、實物、模型、圖形、圖表的觀察，以及對自然界、社會、生產、生活中的化學現象的觀察，獲取有關的感性知識和印象，并進行初步加工、吸收、有序存儲的能力”。

（1）該問的設計依據是考試大綱中的“能說出常見的能量轉化形式”和“了解氧化還原反應的本質是電子的轉移”。讀圖知，光反應是H2O中-2價的氧原子失去電子被氧化為O2，留下H+。暗反應是CO2中+4價的碳原子得到電子被還原，同時結合光反應產生的H+生成葡萄糖和H2O。

（2）光合作用過程中，能量由光能轉化為化學能。第二空考生容易錯誤地寫為C6H12O6+6O2或C6H12O6+6O2，前者錯在6 mol H2O最多只能失去12 mol e-而標出的卻是24 mol e-，后者錯在6 mol CO2得到了24 mol e-而標出的卻是12 mol e-。正確的思路是把第（1）問中的光反應乘以6與暗反應相加： C6H12O6+6O2+6H2O。

（3）由圖知：金屬電極上反應微粒是CO2、H+、e-，生成的微粒是CH3OH，隱含著CO2中+4價的碳得到電子被還原為CH3OH中-2價碳（即1 mol CO2得到6 mol e-）的化學意義。

氮是V A族的非金屬元素顯-3價，鎵是IIIA族的金屬元素顯+3價，恰好形成原子個數比為1∶1的氮化鎵（GaN）。鎵位于元素周期表中第四周期IIIA族。

（4）考查觀察能力，考生要敏銳地看到X極電子流出，說明X是負極，初步判斷X極加入的應該是燃料CH3OH（還原劑），其電極反應式為CH3OH+H2O-6e-= CO2↑+6H+。向Y電極上加入的是氧化劑H2O2，電解質為酸，正極上應該是-1價的氧原子得到電子生成-2價的氧原子，進一步結合H+生成H2O。由以上電極反應知：負極生成H+，正極消耗H+，H+在電解質中由負極（X）移到正極（Y）。

答案：（1）氧化；2H2O=4e-+O2↑+4H+（或2H2O-4e-=O2↑+4H+）；還原；6CO2+24e-+24H+=C6H12O6+6H2O。

（2）光能轉化為化學能； C6H12O6+6O2+6H2O。

（3） CO2+6e-+6H+=CH3OH+H2O；2CO2+4H2O2CH3OH+3O2；GaN；第四周期IIIA族。

（4）CH3OH；H2O2+2e-+2H+=2H2O；X ；Y。

友情提醒：（1）人工光合作用的能量轉化方式是將光能轉化為化學能，考生容易錯誤地認為是“將光能轉化為電能”，該圖也不是原電池示意圖。

（2）“熟記并正確書寫常見元素的名稱、符號、離子符號”是考試大綱的要求，據此我們希望所有主族元素的名稱和元素符號考生都要牢記！有些考生因為不記得鎵的元素符號及周期表中的位置而失分。

三、關注新觀念中的基本化學思想

CO2、CH4、N2O是當今三大溫室氣體。溫室氣體N2O在航天領域是一種寶貴的能源物質，西方發達國家對N2O的制備技術相當重視。科學家一直在探索如何減少CO2、N2O的排放及科學利用CO2、N2O。

例7 溫室氣體氧化亞氮在航天領域卻是一種寶貴的能源物質。已知無毒的氧化亞氮高溫分解生成單質。

（1）氧化亞氮與CO2的摩爾質量相同，氧化亞氮的分子式為 。

（2）將氧化亞氮送入賽車引擎，可以增加速度。簡述原因 。

（3）四氧化二氮和偏二甲肼常用作火箭燃料。已知偏二甲肼的相對分子質量為60，其中含碳40%，含氫13.33%，其余為氮；又知其分子中有一個氮原子不與氫原子相連。寫出偏二甲肼的結構簡式 。在發動機中偏二甲肼在四氧化二氮中充分燃燒，寫出該燃燒反應的化學方程式（反應中所有的氮元素均轉化為N2） 。氧化亞氮和 （端羥基聚丁二烯）是新型火箭燃料，該反應的化學方程式為 ；與N2O4相比，氧化亞氮作火箭氧化劑的優點是 。[注：火箭氧化劑皆為液態]

（4） 每年排放到大氣中10%的氧化亞氮，來源于環己醇與硝酸反應生產己二酸，該反應的化學方程式為 。合成己二酸的新方法：以鎢酸鈉（Na2WO4）為催化劑，用30% H2O2與環己酮（）反應，寫出反應的化學方程式 。

（5）碳酸乙二醇酯在鋰電池中有重要用途。已知：

+CO2

請以CO2、乙烯、空氣為原料，利用綠色化學原則制備碳酸乙二醇酯，寫出有關反應的化學方程式 。生產1 t碳酸乙二醇酯在理論上可以吸收 t CO2。

解析：考試大綱強調“掌握常見氧化還原反應的配平和相關計算”和“化工生產遵循‘綠色化學思想的重要性”，本題力圖體現之。

（1）根據摩爾質量為44 g/mol知，氧化亞氮就是一氧化二氮，分子式為N2O。

（2）氧化亞氮分解生成的混合氣體中，氧氣占1/3，大于空氣中氧氣的含量（1/5），氧氣濃度增大，加快了燃料燃燒的速率，從而增加賽車速度。

（3）n（C）=60×0.4/12=2，n（H）=60×0.1333=8，n（N）=（60-24-8）/14=2，分子式為C2H8N2，由“一個氮原子不與氫原子相連”知，偏二甲肼的結構簡式為N—NH2。先判斷這兩種火箭燃料燃燒的產物都是CO2、H2O、N2，然后根據質量守恒配平。N2O4有毒，其分解產物NO2也有毒，會污染空氣；因此無毒的N2O作氧化劑的優點主要是污染小。

（4） 考查新情景下氧化還原反應方程式的配平。環己醇中羥基連接的碳原子平均化合價為0價，其余碳原子平均化合價為-2價，己二酸羧基上的碳原子平均化合價為+3價，1 mol環己醇被氧化為己二酸失去電子的物質的量為8 mol，生成1 mol N2O得到8 mol e-，據此可以配平該方程式。環己酮中羰基上的碳原子平均化合價為+2價，其余碳原子為-2價，由環己酮氧化為己二酸失去6 mol e-，1 mol H2O2反應得到2 mol e-，因此H2O2的化學計量數為3。

（5）綠色化學的核心是原子利用率為100%。在銀作催化劑時，乙烯可以氧化為環氧乙烷，再根據信息，環氧乙烷與CO2反應生成碳酸乙二醇酯。碳酸乙二醇酯的相對分子質量是88，是CO2（44）的2倍，所以生產1 t碳酸乙二醇酯在理論上可以吸收0.5 t CO2。

答案：（1）N2O。

（2）高溫時氧化亞氮分解：2N2O2N2+O2，增大了O2的濃度，加快了燃料燃燒。

（3）N—NH2或H2NN（CH3）2；C2H8N2+2N2O4=2CO2↑+4H2O↑+3N2↑；

（11n-1）N2O+=（11n-1）N2↑+4nCO2↑+（3n+1）H2O↑；N2O無毒，對環境污染小。

（4）+2HNO3→2H2O+ HOOCCH2CH2CH2CH2COOH+N2O↑；

+ 3H2O2HOOCCH2CH2CH2CH2COOH+ 3H2O。

（5）2CH2=CH2+O22，

+CO2；0.5。

友情提醒：乙烯綠色氧化生產環氧乙烷在必修2教材的最后一節，偏二甲肼與四氧化二氮的化學方程式在必修1教材的第四章第3節，部分考生對這些教材上的基礎知識不熟悉，在最后沖刺階段要安排時間弄懂、弄熟、弄透教材上的化學反應方程式。

四、關注氫化物中的基礎化學知識

氫化物分為離子型氫化物和共價型氫化物，部分氫化物分散在中學教材的不同章節，運用中學化學原理還能理解教材上未涉及的氫化物（如CaH2、SiH4、B2H6）的性質，考前有必要對氫化物的性質進行歸類整理。

例8 氫元素與其他元素既能形成離子鍵，也能形成共價鍵，在化合物中氫元素可能為+1價或-1價。回答下列問題：

（1） LiH中Li+的半徑 H-的半徑（填“大于”“小于”或“等于”）；CaH2與水劇烈反應生成密度最小的氣體，寫出CaH2與稀鹽酸反應的化學方程式 。

（2）主族非金屬元素與氫形成共價型氫化物。第三周期的氣態氫化物，其熱穩定性由強到弱的順序為 （填分子式）。

（3）已知H、B、Si、Cl的電負性分別為2.1、2.0、1.8、3.0，甲硅烷（SiH4）分子中H元素的化合價為 。微量堿作催化劑時，甲硅烷遇水迅速水解生成SiO2·nH2O，寫出該反應的化學方程式 。乙硼烷（B2H6）有強還原性，在空氣中能自燃，乙硼烷的強還原性來自 。

（4）在乙醚中，氫化鈉與乙硼烷反應能生成萬能還原劑硼氫化鈉（NaBH4），請推測NaBH4與水反應的最終產物 。

（5） 環狀化合物甲（N6H6）有作為高能材料的可能性，甲分子中有3種化學環境的N原子和2種化學環境的H原子，且N原子均達到8電子結構，則甲的結構式可能為 。

解析：考試大綱規定“了解常見金屬、非金屬元素的重要化合物的主要性質及應用”，短周期元素的氫化物符合這一要求，而且多年沒有系統考查過該知識。（1）核外電子排布相同的離子，核電荷數越大半徑越小，故r（Li+）H2S>PH3>SiH4。（3）“知道元素的性質與電負性的關系”是大綱對考生的要求。氫元素的電負性大于硅元素的電負性，所以氫硅鍵的共用電子對偏向氫原子使氫原子帶部分負電荷而顯-1價，硅顯+4價。甲硅烷與水反應方式與鹽類水解相似：SiH4中-1價H與水中+1價H結合生成H2，+4價Si與水中羥基結合生成H4SiO4，H4SiO4再脫水生成SiO2·nH2O。由氫和硼的電負性知，乙硼烷中的氫元素顯-1價，硼元素顯+3價，結合前面的知識知道-1價氫元素具有較強還原性。（4）NaBH4中的3種元素的化合價依次為+1、+3、-1，與水反應時，-1價H與水中+1價H結合生成H2，+3價B與水中羥基結合生成一元弱酸B（OH）3，Na+則形成強堿NaOH，B（OH）3與NaOH繼續反應生成NaBO2或NaB（OH）4。（5）依題意甲分子空間結構具有對稱性，六元環、五元環、三元環狀化合物中，均沒有符合題意的，只有四元環狀化合物中有兩種符合題意。

答案：（1）小于；CaH2+2HCl=CaCl2+2H2↑。

（2）HCl>H2S>PH3>SiH4。

（3） -1；SiH4+（n+2）H2OSiO2·nH2O+4H2↑；-1價的氫。

（4）NaBO2或NaB（OH）4、H2。

（5）

友情提醒：-1價H（如離子型氫化物CaH2和共價型氫化物SiH4、B2H6等）有較強還原性，易被氧氣、水氧化；它們與水發生反應時，-1價H與水中+1價H結合生成H2。