“物質結構與性質”模塊核心知識考查動向及備考啟示

王 春 郭春紅

(1.北京教育學院;2.北京錢學森中學)

“物質結構與性質”模塊是高中化學選擇性必修部分的重要內容,也是高考考查的重點內容,近年來高考化學試題注重以新功能、新結構材料作為情境素材,考查核外電子排布規律、元素周期表“位—構—性”應用、雜化軌道類型和分子空間構型、電離能、電負性、晶體結構與性質、晶胞密度計算等核心內容,對學生的知識綜合應用能力要求較高。本文就近年來高考化學試題中有關“物質結構與性質”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 有關基態原子核外電子排布規律的考查

這類試題考查內容一般是要求考生根據所學的構造原理、能量最低原理、泡利原理、洪特規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的基態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卷節選)基態Fe2+與Fe3+離子中未成對的電子數之比為________。

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

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

動向二 有關元素“位—構—性”知識綜合應用的考查

這類試題的題干中主要提供元素的周期數及元素核外電子的數量關系,或者提供元素周期表的部分結構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量關系或根據周期表的片段結構確定所在周期,再確定試題中的相應元素,最后分析推斷元素單質及其化合物的性質遞變規律。

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

( )

A.非金屬性:X>Q

B.單質的熔點: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原子最外層電子數為Q原子內層電子數的2倍,則Q應為第二周期元素,X、Y、Z位于第三周期,Y的最外層電子數為4,則Y為Si元素,X、Y相鄰,且X的原子序數小于Y,則X為Al元素,Q、X、Y、Z的最外層電子數之和為19,則Q、Z的最外層電子數之和為19-3-4=12,主族元素的最外層電子數最多為7,若Q的最外層電子數為7,為F元素,Z的最外層電子數為5,為P元素,若Q的最外層電子數為6,為O元素,則Z的最外層電子數為6,為S元素,若Q的最外層電子數為5,為N元素,Z的最外層電子數為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),故單質熔點Si>Al,即Y>X,B選項錯誤;含有氫鍵的物質沸點升高,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,由于前者物質中存在分子間氫鍵,而后者物質中不存在,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生

D.丙的最高價氧化物對應的水化物一定能與強堿反應

【解析】依據題意知甲～戊是短周期元素,戊的最高價氧化物對應水化物為強酸,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生,若是甲烷、乙烷等,則遇氯化氫不反應,沒有白煙生成,C選項錯誤;丙的最高價氧化物對應的水化物可能是硅酸也可能是磷酸,都能與強堿反應,D選項正確。綜上所述本題正確答案為C。

動向三 有關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,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(縱坐標的標度不同)。第一電離能的變化圖是________(填標號),判斷的根據是________;第三電離能的變化圖是________(填標號)。

圖a

圖b

圖c

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

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,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 有關雜化軌道及微粒空間構型知識的考查

這類試題考查內容主要涉及雜化軌道類型的判斷、空間構型的判斷、等電子體的書寫與利用等電子體原理書寫電子式和結構式、判斷空間構型等內容。解答此類試題應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,然后運用雜化軌道理論判斷中心原子雜化類型,再依據中心原子價層電子對數和雜化類型推斷粒子的空間構型。

①產物中N原子的雜化軌道類型為________;

動向五 有關化學鍵與物質的性質知識的考查

這類試題考查內容主要涉及σ鍵和π鍵的數目判斷、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性質的影響等內容。解答此類試題應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)由極性鍵構成的非極性分子在結構上要高度對稱,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)氫鍵是當氫原子與電負性較大(N、O、F)的原子以共價鍵結合時產生的特殊分子間作用力,使物質的熔沸點升高,溶解性變大。

【例6】(1)(2022年北京卷節選)已知FeSO4·7H2O 結構示意圖如圖。

(2)(2020年山東卷節選)NH3、PH3、AsH3的沸點由高到低的順序為__________________(填化學式,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 有關晶體類型與晶胞的計算知識的考查

這類試題考查內容主要涉及晶體與晶胞的關系、晶胞中粒子數目的計算,試題考查形式一般為確定化學式、計算晶體密度、計算晶體中微粒間距離和確定原子的分數坐標等。解答此類試題首先應注意掌握典型晶體類型、晶胞模型及相關性質,學會應用“均攤法”計算晶胞中粒子數目,并運用相關數學思維和計算公式對典型晶體進行相關計算。

【例7】(1)(2022年廣東卷節選)我國科學家發展了一種理論計算方法,可利用材料的晶體結構數據預測其熱電性能,該方法有助于加速新型熱電材料的研發進程。化合物X是通過該方法篩選出的潛在熱電材料之一,其晶胞結構如圖甲,沿x、y、z軸方向的投影均為圖乙。

圖甲

圖乙

①X的化學式為________。

②設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為阿伏加德羅常數的值)。

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

二、復習備考幾點啟示

(一)教學中注重聯系生活實際,合理選取情境素材

近年來高考試卷中“物質結構與性質”試題情境的創設緊密聯系學生的學習和生活實際,體現了科學、技術、社會和環境發展的成果,有利于培養學生的“科學態度與社會責任”。物質結構的內容比較抽象,在教學中應盡量聯系與學生生活密切相關的問題,激發學生對物質結構與性質的學習興趣。教學內容還應該注重融入體現時代性的生活情境素材,如手性藥物設計、催化材料、超導材料、納米材料等新型材料,拓寬學生的知識視野,培養學生的創新思維能力。

(二)教學中注重建模推理,發展學生對概念的理解及辨析

近年來高考試卷中“物質結構與性質”試題提供了大量的文字信息和新圖表信息,要求學生基于相關信息,運用模型推測或解釋物質的微觀結構特點,推測物質的性質。解答此類題目需要學生具備一定的信息加工能力、歸納推理能力和模型認知能力。因此,在“物質結構與性質”模塊教學中,應該注重促進學生理解物質結構相關概念的內涵,對相似的化學基本概念進行比較和辨析,體會物質結構研究的基本思路和方法,發展學生證據推理與模型認知的化學學科核心素養。

(三)教學中注重構建常考題型解題模型,提煉解題方法和策略

近年來高考試卷中“物質結構與性質”試題考查的核心知識點較為零散,試題對學生的空間思維能力和計算能力要求較高。教師在教學中應注意借助多種手段,如模型、動畫等手段,讓學生加強對空間結構的認識與理解,從而提升分析與計算能力。結合近年來高考化學試題進行專題訓練,針對易失分題型,重點突破,構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。