在備戰高考中科學探究 在拓展建模中行成于思
——以關于元素周期律內容的高考化學題為例

李成寶

(山東省青島西海岸新區膠南第一高級中學)

在近年來全國和各省市自主命題的高考化學試題中涉及元素周期律的相關試題是屢見不鮮的.這類試題多以元素的原子結構、元素的性質等形式呈現,考查證據推理與模型認知核心素養.

1 典例展示,挖掘高考命題的內涵

例一種麻醉劑的分子結構式如圖1所示.其中,X 的原子核只有1 個質子;元素Y、Z、W 原子序數依次增大,且均位于X 的下一周期;元素E 的原子比W 原子多8個電子.下列說法不正確的是( ).

圖1

A.XEZ4是一種強酸

B.非金屬性:W＞Z＞Y

C.原子半徑:Y＞W＞E

D.ZW2中,Z的化合價為＋2價

試題賞析試題以“首尾相同”的分子結構式為載體將元素周期律問題展現給學生,是一種對化學模型的認知形式.問題情境中“X 的原子核只有1 個質子”有了從“1”開始的寓意.隨之而來的問題探究,使得對元素在周期表中的位置和原子核外電子數的探究復雜化,讓試題變得“撲朔迷離”起來,給學生一種新鮮感.探究以選擇題的形式呈現,選擇的答案在元素的性質、原子半徑的比較和元素化合價的判斷等方面,體現了結構決定性質的化學思想.

2 典例剖析,研究問題的切入點

典例選擇的是一道廣東省高考化學試卷中的選擇題,從選項看,要求解決4個方面的問題,其設置的內容是對相關化學知識的高度綜合.題干情境包括2個方面的內容,一是文字敘述,二是分子結構式的示意圖,體現了“化零為整”的過程.解決問題的關鍵在于推斷出5種對應的元素.由“結構”特征來體現“元素”,再由具體元素的特性判斷試題的選項,是“結構決定性質、性質演繹化學原理”的映射.

解法探究結合題干文字敘述和分子結構示意圖,分析各字母代表的相應元素結果如圖2所示.

圖2

根據分析可知XEZ4是HClO4,是一種強酸,選項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B正確.原子半徑可以根據“電子層數越多,原子半徑越大”的規律判斷,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C 不正確.ZW2是OF2,F的非金屬性強,故分子中O 元素的化合價為＋2,選項D 正確.答案為C.

反思在解答題干有文字敘述和分子結構示意圖的元素周期律類試題時,對分子結構模型的認知是核心(文字描述也不能忽略),推斷出各字母代表的相應元素是前提,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問題的重要環節.筆者通過對典型例題的分析,讓學生感悟元素(選擇題一般考查短周期元素)在分子結構式中的成鍵特征,如表1所示.

表1

3 變式演練,構建“元素周期律”問題的模型

2021年河北卷的第11題與典例具有異曲同工之妙,筆者認為在復習備考中不妨作為課堂變式練習,以達到引導學生對知識建模的目的.

變式1如圖3所示的2種化合物可應用于阻燃材料和生物材料的合成.其中W、X、Y、Z為原子序數依次增大的短周期元素,X 和Z同主族,Y 原子序數為W 原子的價電子數的3 倍.下列說法中正確的是( ).

圖3

A.X 和Z的最高化合價均為＋7價

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種元素可形成同時含有離子鍵和共價鍵的化合物

創設目的與典例類型相似的試題在不同省市的高考化學卷中頻繁出現,這說明了該類試題是高考的熱點命題形式,用此題作為課堂變式練習可以引起學生的高度重視,也為這類試題解法建模營造了良好的環境.

解法分析解答本題時,學生仍然需要結合題干文字敘述信息和分子結構示意圖進行分析.根據“X 和Z同主族”及分子結構示意圖可知X 和Z 形成一價鍵,分別是F元素和Cl元素;Y 形成五價鍵(與典例分子結構式不同之處是本題出現了“雙鍵”),是第ⅤA族元素,在F 與Cl之間,所以Y 是P元素.再結合文字描述“Y 原子序數為W 原子的價電子數的3倍”,故W 原子價電子數是5,為N 元素.推斷出各字母代表的元素之后,再分析選項.F 沒有正價,選項A 不正確.HF的水溶液為弱酸,排除選項B,選項C 與典例分析相同.N、P、H 3 種元素可形成磷酸銨鹽,如NH4H2PO4是同時含有離子鍵和共價鍵的化合物,選項D 正確.答案為D.

反思1)在結構式中出現即雙鍵,為二價鍵;在結構式中出現“≡”即三鍵,為三價鍵.2)必須將文字與結構式相結合,拋開其中一點就可能出現失誤,如果只觀察結構式,學生會因W 呈現三價鍵而可能誤判為B 元素,導致不能辨析選項D 說法是否正確.

變式2如圖4所示是一種可用于有機物的脫色和漂白等的物質的結構式,其中X、W、Y、M、Z 是短周期主族元素且原子序數依次增大,Y 與Z屬于同一主族元素.下列說法錯誤的是( ).

圖4

A.除W 外,其他4種元素簡單離子半徑比較,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鍵

C.Y 的簡單氫化物的沸點比W 的高

D.除X 以外,其他4 種元素在物質中均滿足8電子穩定結構

創設目的與典例的不同之處是結構式是一種離子的形式,通過該變式的訓練讓學生對離子與結構的關系進行建模.

解法分析結合文字與結構式分析,“Y 與Z 屬于同一主族元素”,在結構式中Y 呈現二價鍵、Z為四價鍵,故推斷Y 是O 元素、Z是S元素,M 形成帶1個單位正電荷的離子,原子序數在Y 和Z之間,故M 是Na元素;X、W 的原子序數在O 元素之前,X 呈一價鍵、W 呈四價鍵,故X 是H 元素、W 是C元素.然后對選項進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＋核電荷數少,電子構型相同,半徑是前者大,r(O2－)＞r(Na＋).2)所謂的“滿足8電子穩定結構”,不是指原子的價層電子對數為4,而是指原子的價層所有的電子.作為短周期主族元素,原子的價層所有的電子等于其主族數與價鍵數的和.例如,圖4中Z(S元素)的“電子結構”是6＋4＝10,不滿足8電子穩定結構.3)在圖4結構式中Y 出現一價鍵和二價鍵,出現一價鍵的原因是Y 在帶1個單位負電荷的陰離子團中得到1個電子,故從二價鍵變成一價鍵.

總之,高考化學試題中涉及元素周期律相關內容的命題是近年來的熱點.因此,在備考階段,教師可以將這類試題以例題引導和變式訓練的形式展開,在不同的層面進行分析,從而達到解題建模的目的.

(完)