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近12年结构化学竞赛试题分析与总结论文


高中化学竞赛之结构化学:试题分析及启示
张照坤 1, 2 何荣幸 1?
(1 西南大学化学化工学院 重庆北碚 400715; 2 成都茶店子小学校 四川成都 610031)

摘 要:以第 12-26 届全国高中学生化学竞赛初赛、决赛结构化学试题为基础,从试题分布特点、 知识点、知识水平、知识点涉及面等方面对竞赛结构化学试题进行分析,总结试

题特点,并针对结 构化学知识的学习提出一些思考。 关键词:化学竞赛;结构化学;试题分析;启示 “全国高中学生化学竞赛”(以下均简称竞赛)是由中国化学会组织的针对全国高中学生开展的 课外竞赛。竞赛分为每年 9 月全国统一时间在各省、市、自治区分场同时进行的“全国高中学生化学 竞赛(省级赛区)”初赛阶段和次年初冬令营期间进行的“全国高中学生化学竞赛”决赛阶段。竞赛自 1984 年开赛至今,已开展 26 届,为推动我国化学教育起到了良好作用。结构化学是一门研究物质 结构、性质及其关系的基础学科,作为一门与当今化学研究前沿联系最为紧密的学科,在激发学 生学习兴趣、 培养学生综合能力和科学素养方面举足轻重???。在 2008 年 4 月颁布的全国高中学生化 学竞赛初赛、决赛基本要求中,隶属结构化学知识范畴的内容有原子结构、分子结构、配合物、 晶体结构四部分,结构化学是竞赛的核心和难点内容。因此我们选取第 12-第 26 届全国高中学生 化学竞赛初赛、决赛结构化学试题为对象,采用分类分析法,对结构化学试题在竞赛中的分布情况 和试题特点进行分析、总结,并结合竞赛培训,就竞赛中结构化学知识的学习做一些探讨。

1

试题统计与分析

我们对第 12—第 26 届(1998 年—2012 年)全国高中学生化学竞赛初赛、决赛的原子结构、分 子结构、配合物、晶体结构试题进行统计,如表 1、表 2 所示。从表 1、表 2 中的统计数据来看,每 届的结构试题的题量和分值都不少,几乎每届竞赛都会出现两道或两道以上结构化学的大题。比如 去年进行的第 26 届化学竞赛初赛中就有四道结构化学大题,初赛第 14 届、第 15 届、第 18 届、第 22 届、第 24 届,决赛第 20 届、第 21 届、24 届也出现大量结构化学试题。结构化学各部分知识试 题题量和分值分布:晶体结构>配合物>分子结构>原子结构。
表 1:第 12-第 26 届初赛结构化学试题分布统计表 届数 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 3[5] 14[8] 4-5[4]、10[5] 4-3[2] 4-2[5] 4[15] 11-2[2] 1-2[2]、2[5] 1-2[2]、2-1[2]、4-2[2] 1-1 至 1-4[15]、8[16] 1-2[3] 1-3[2]、2-2[1]、2-4[2] 2[7] 1-3[3]、1-5[1]、7[14] 1-5[3]、1-6[2] 1-3[10]、4[8] 1-4[2]、2-1[2]、2-3[2]、2-5[4]、5[10] 1-1[3]、4[5]、7[10] 5[13] 5[7]、8[8] 4[6] 7[11] 6[12]、9[6] 2[4]、6[6]、13[9] 2-2[6]、8[12] 8[9]、11-3 至 11-5[8] 3[8] 5[5]、8[9] 6[10] 3[7]、7[13] 7[9] 5[8] 原子结构 分 子 结 构 配 合 3[12] 4[6]、5[2]、11[8] 5[5]、11[10] 物 晶 体 结 构 5[12]、8[8]

注:中括号内为该试题对应的分值。

?

通讯联系人,E-mail:herx@swu.edu.cn

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表 2:第 12-第 26 届决赛结构化学试题分布统计表 届数 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 1-1[2] 1-1[2] 1[17]、2[11] 1-2[4]、1-4[2] 1-1[2] 3-1[1]、3-2[1] 1[6] 2[6] 2-1[4]、2-3[5]、3[10] 1-2[4]、1-5[2]、7[10] 原 子 结 构 分子结构 配 合 3[12] 4[15] 3 2[8] 4 4[13] 1-3[2] 5[6] 3[10] 1-4[2]、4-2[2]、7[10] 4[22] 6-1至6-4[12] 4[15] 4[14] 4[12] 2-4[4]、4[13] 1-7[6]、1-8[5]、4[15] 物 晶 体 结 构

注:中括号内为该试题对应的分值。

为进一步分析结构化学在竞赛中的重要性和分布趋势, 我们对第 12—第 26 届竞赛结构化学试题 分值和考查比重进行统计分析,如表 3 和图 1 所示。结构化学考查比重的平均值初赛为 28.8%,决 赛为 22.6%,结构化学成为化学竞赛中考查比重仅次于有机化学的学科,开展对结构化学试题特点 的分析成为竞赛试题研究的又一新内容。在图 1 中,初赛结构化学考查比重起伏明显,增长也明显, 第 12-第 16 届的平均考查比重为 19%、第 17-第 21 届为 29%、第 22-第 26 届为 38.4%,初赛结构化 学的考查比重每五届增加约十个百分点。相比于初赛,决赛结构化学的考查比重较平稳的增长,第 16-第 21 届、第 24、25 届结构化学考查比重相对较高。综上所述,结构化学在化学竞赛中重要地位 日益突出,认识结构化学在竞赛中的重要性,正确把握结构化学内容的教学和学习,成为竞赛学习 和培训的重点。
表 3:第 12-第 26 届结构化学试题总分及比重统计表 届数 初赛 决赛 分值 比重 分值 比重 12 20 20% 12 11.1% 13 12 12% 15 15% 14 24 24% — — 15 24 24% 13 14.4% 16 15 15% 12 20% 17 28 28% 12 20% 18 49 49% 16 26.7% 19 24 24% 14 23.3% 20 29 29% 41 34.2% 21 15 15% 30 30% 22 38 38% 15 15% 23 46 46% 14 14% 24 41 41% 40 40% 25 34 34% 25 25% 26 33 33% 28 28%

注:考查比重 =(当届结构试题总分值/当届试卷总分)× 100%。初赛试卷总分均为 100 分,决赛第 12 届 108 分,第 13 届 100 分,第 15 届 90 分,第 16—第 19 届 60 分,第 20 届 120 分,第 21—26 届 100 分,决赛第 14 届未进行分值计算。

60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

初赛 决赛

比重

届数

图 1:第 12—第 26 届全国高中学生化学竞赛结构化学考查趋势分析图

3 试题特点
2

3.1 知识点考查分布广、重点突出 结构化学竞赛试题涉及原子结构、分子结构、配合物、晶体结构等知识,但重点和难点是晶体 结构和配合物,原子结构和分子结构试题都较为基础,主要体现在以下几个方面: 1.原子结构和分子结构—以基础理论知识为主 原子结构和分子结构试题题型单一,多以填空性质试题为主。随着竞赛试题创新性和综合性的 增加,对原子结构和分子结构单独成题考查在逐步淡化,所以这两部分知识主要以小题的形式出现 在竞赛中。比如原子结构试题在近年竞赛中极少出现,分子结构试题除在初赛第 23 届“大爆发”地出 现 31 分之多外,其他基本都是小题小分值。 原子结构和分子结构试题基础性强。原子结构试题主要考查核外电子的运动状态,用 s、p、d 等表示核外电子构型等知识;分子结构试题重点考查分子的几何构型及其对称性、路易斯结构式、 价层电子互斥理论、杂化轨道理论等知识。比如初赛第 23 届第 1 题考查根据两个化学反应判断反应 中所涉及 Lewis 酸的酸性强弱,画出 BF3、N(CH3)3、F3B-N(CH3)3、F4Si-N(CH3)3 的分子结构并指出 中心原子的杂化轨道类型;决赛第 25 届第 1-1 题考查副族元素的价层电子组态,所涉及到的内容基 本都是中学化学基础知识。 诸如此类试题, 原子结构部分还有初赛第 14 届第 14 题、 第 17 届第 3 题, 决赛第 16 届第 3 题; 考查分子几何构型的有初赛第 18 届第 4 题、 第 20 届第 11-2 题、 第 22 届第 1-2 题、第 23 届第 8 题、第 25 届第 1-3 题;考查路易斯结构式的有初赛第 21 届第 2 题、第 22 届第 4-2 题,决赛第 17 届第 1 题;考查杂化轨道理论的有初赛第 21 届第 1-2 题、第 24 届第 1-2 题。 正是基于原子结构和分子结构的基础性,学好这两部分内容不仅能为结构化学的学习打下良好 的基础,也能很好的构建化学知识体系,强化原子结构与分子结构基础理论知识的理解和应用成为 这两部分知识学习和教学的主要内容???。 2.配合物—重点考查配合物的空间构型和异构现象 配合物考查的多是大学化学知识,要求考生对配合物理论知识具有较强的自主学习能力和深层 次的掌握。 从试题中的考点来看,配合物空间构型和异构是常考内容,其中配合物的空间构型为八面体型、 四面体型、平面型的考查频率较高,八面体型配合物的几何异构体和旋光异构体考查最多。例如: [例1](决赛第18届第2题)①在答卷纸给出的空模板上画出trans-二氯 ·二(2,3-丁二胺)合钴(Ⅲ)离子 的所有几何异构体的结构式(注:2,3-丁二胺又名2,3-二氨基丁烷);②指出其中有旋光性的异构体; ③已知其中有一种异构体的氯被其他负一价阴离子取代的速率最慢。它是哪一种? 如何理解它的这 种性质? 解:这道题是竞赛中考查八面体型配合物几何异构体及其旋光性的典型试题,竞赛中此类试题出现 较多,要求完整写出配合物的所有异构体,这对于拓展学生的思维能力和强化学生的空间想象能力 非常有益。 ① trans-二氯 ·二(2,3-丁二胺)合钴(Ⅲ)离子的几何异构体为八面体型。

图 2:trans-二氯 ·二(2,3-丁二胺)合钴(Ⅲ)离子的几何异构体和对映异构体

3

②旋光性的异构体是编号为 D、E 的异构体。 ③取代速率最慢的是编号为 D 的异构体。对于 D,当负一价阴离子取代氯时,无论从上方,还是从 下方进攻中心 Co3+时,均受到甲基空间的位阻,因此,取代的速率最慢。 此类试题还有初赛第 13 届第 3 题、第 16 届第 5 题、第 18 届第 8 题、第 20 届第 7 题、第 22 届 第 7 题、第 23 届第 1-5、1-6 题、第 24 届第 1-3、4 题、第 25 届第 1-4、2-1、2-5、5 题、第 26 届第 4、7 题,决赛第 12 届第 3 题、第 13 届第 4 题、第 14 届第 3 题、第 16 届第 2 题、第 20 届第 2-1、 2-3、3 题、第 21 届第 1-2 题、第 24 届第 2 题、第 25 届 1-2 题等。 决赛中有关配合物空间构型的试题难度较大,在近几届的竞赛试题中频繁出现与复杂配合物结 构、多聚体配合物结构相关的试题,比如决赛第 21 届第 1-2 题考查叠氮有机铝化合物、第 7 题考查 过渡金属有机大环配合物的合成等。这些试题考查的知识点很多,复杂多样,且大部分都与最新的 研究成果有关。这要求学生在平时的学习中应多关注复杂配合物结构的最新研究成果,注重知识与 能力的结合,构建二者之间的网络关系,培养学生将所学知识融会贯通的能力,即将知识的点用能 力的线连接起来的能力。这一能力通常认为是学生创造性思维能力的基础,往往是中学化学竞赛考 查的核心! 3.晶体结构—重点、难点、高水平 晶体结构试题的题量和分值是结构化学最重、最难的,试题的知识水平深入到大学结构化学, 对考生的综合能力要求较高。 (1)涉及到计算晶胞原子数(均摊法) 、结构基元数、质量、体积、密度、原子间距、原子坐 标及空隙计算等类型试题,考查学生的信息加工能力和逻辑思维能力,学生需具备良好的数学基础 和空间想象能力,对数据的理解、分析到位,才能轻松解题。 [例 2]( 初赛第 26 届第 5 题)从尿素和草酸的水溶液中得到一种分子晶体。X 射线衍射实验表明,该 晶体属于单斜晶系,晶胞参数 a=505.8pm,b=1240pm,c=696.4pm,β=98.13°。晶体中两种分子通过 氢键形成二维超分子结构。晶体密度 D=1.614g· cm-3。①推求草酸分子和尿酸分子的比例。②画出一 个化学单位的结构,示出其中的氢键。 解:试题考查学生对晶胞参数的理解和运用,通过计算晶胞的体积、质量、密度,推算分子的 结构式,有利于培养学生的信息处理能力和逻辑思维能力。 ①晶胞体积 V=abcsinβ=505.8pm×1240pm×696.4pm×sin98.13°=4.324× 10-22cm3 晶胞质量=VD=4.324× 10-22cm3× 1.614g· cm-3=6.979× 10-22g 若晶胞中含有 1 个草酸分子和 1 个尿素分子, 则质量为 2.493× 10-22g, 密度约为 0.5776 g· cm-3, 不符合测定结果,也不满足对称性要求。 若晶胞中含有 1 个草酸分子和 2 个尿素分子, 则质量为 3.490× 10-22g, 密度约为 0.8071 g· cm-3, 不符合要求。 若晶胞中含有 2 个草酸分子和 4 个尿素分子, 则质量为 6.980× 10-22g, 密度符合实验测定结果, 满足对称性要求。 因此晶胞中含有 2 个草酸分子和 4 个尿素分子,二者比例为 1:2。 ② 结构图为:

4

此类题在竞赛中较多,有初赛第 12 届第 5 题、第 14 届第 4 题、第 15 届第 5、11 题、第 17 届 第 6、9 题、第 18 届第 13 题、第 19 届第 2-2、8 题、第 20 届第 8、11 题、第 21 届第 3 题、第 22 届第 5、8 题、第 23 届第 6 题、第 24 届第 3、7 题、第 25 届第 7 题,决赛第 14 届第 4 题、第 15 届 第 4 题、第 19 届第 4-2 题、第 20 届第 4 题、第 22 届第 4 题、第 23 届第 4 题、第 24 届第 4 题、第 26 届第 1-7、4 题等。这些试题往往信息量大,需要中学生具有很强的对信息的理解、加工和归纳的 能力。 (2)晶体结构试题是以多种晶体的立体结构图形为基础的,不仅考查学生的自学能力、信息加 工能力,还要求学生有较强的空间想象能力,能灵活运用知识、不断更新知识。 [例 3](决赛第 19 届第 1-4 题)在酸化钨酸盐的过程中,钨酸根 WO42?可能在不同程度上缩合形成 多钨酸根。多钨酸根的组成常因溶液的酸度不同而不同,它们的结构都由含一个中心 W 原子和六个 配位 O 原子的钨氧八面体 WO6 通过共顶或共边的方式形成。 在为数众多的多钨酸根中, 性质和结构 了解得比较清楚的是仲钨酸根[H2W12O42]10?和偏钨酸根[H2W12O40]6?。在下面三张结构图中,哪一张 是仲钨酸根的结构?简述判断理由。

a

b

c

解:本题是根据晶体的结构计算化学式,对图的观察和理解成为解题的关键,注重对学生空间想象 力的考查。

a

b

c

在图 a 中,展现在画面上的 12 个钨氧八面体的氧原子通过共顶共边排成图中所示的 6:15:15:6 四层结构。共有氧原子 6+15+15+6=42 个,所以图 a 是仲钨酸根[H2W12O42]10?的结构。 在图 b 中,结构应含 10 个钨氧八面体,它们的氧原子通过共顶共边排列成 1:4:9:4:9:4:1 的层状 结构。共有氧原子 1+4+9+4+9+4+1=32 个。因钨氧八面体不足 12 个,图 b 不会是仲钨酸根的结构, 而是十钨酸根 W10O324?的结构。 在图 c 中,有 12 个钨氧八面体,形成了 4 个有 3 个八面体共顶又共 3 条边的 W3O13 单元,每个 W3O13 单元的外侧面有 6 个氧原子, 内侧面有 7 个氧原子。 4 个 W3O13 单元又通过共用内侧面周边的 氧原子形成四面体结构,四面体的每条边上共用 2 个氧原子,6 条边共用氧原子为 12 个。所以氧原 子总数为 4× 13-12=40 个,图 c 是偏钨酸根[H2W12O40]6?的结构。 此类试题还有初赛第 12 届第 8 题、第 14 届第 5 题、第 18 届第 2、6 题,决赛第 17 届第 5 题在 LaNi 5 晶体结构图中勾画出一个 LaNi 5 晶胞并计算晶胞中 La 原子和 Ni 原子个数、第 18 届第
5

3 题、第 19 届 7 题、第 21 届第 6 题、第 25 届第 2-4、4 题、第 26 届第 1-8 题等。对这类试题,不 仅要求中学生具备良好的创造性思维能力和空间想象能力,还要求他们具有对图形崭新的观察能力 和一定的数学建模能力。 3.2 注重中学与大学化学知识衔接 竞赛大纲要求的原子结构、分子结构、晶体结构的知识内容在高中化学教材已有较全面的涉及, 高中化学知识对配合物基础理论也有介绍?3?。结构化学是大学化学专业必修课程,也是大学化学中 层次高、综合性强的一门学科?4?。在大学结构化学内容中?5??6?,量子力学基础、原子结构与性质、共 价键、分子的对称性与分子的性质、价层电子对互斥理论、杂化轨道理论、分子轨道理论、配位化 合物的结构和性质、晶体学基础、晶体结构的点阵、结构基元、晶胞及晶胞参数、晶体的对称性等 知识也是竞赛大纲结构化学要求的重点内容。本质上讲,所有这些中学化学竞赛涉及到的知识点都 是中学生的一般知识、通用知识、核心知识和可持续发展知识,它们并不是超越了一般中学生知识 水平的“高深”知识。 但是,中学化学竞赛的目的在于激发青少年的科学兴趣,探索发现科学人才的途径。因此其涉 及到的具体知识和考查的具体能力应有别于一般性的中学生考试。我们将结构化学试题按照知识水 平划分为中学化学基础知识、中学化学内容的自然生长点、中学与大学化学结合知识三个层次,并 进行知识水平统计分析,如图 2、图 3。中学与大学化学结合知识的考查比例初赛为 42.4%,决赛为 75%,说明竞赛结构化学注重中学与大学化学知识的衔接,在知识水平层面更倾向于考查大学的结 构化学知识。竞赛试题中原子结构分子结构部分考查的为中学化学基础知识,而配合物和晶体结构 试题在知识水平上较中学化学知识有所拔高。

中学化学基础知识 中学化学内容的自然生长点 中学与大学化学结合知识
11.1%
25.4%

中学化学基础知识 中学化学内容的自然生长点 中学与大学化学结合知识 13.9%

42.4% 15.2%

75.0%

图 3:初赛结构化学试题知识水平考查分析图

图 4:决赛结构化学试题知识水平考查分析图

3.3 试题“真实性”加强 对结构化学试题知识点涉及面进行统计分析,如图 4、图 5。初赛结构化学试题一半为纯粹化 学理论知识延生试题,一半的试题与生活和前沿研究成果联系,而决赛试题则与生活、前沿研究、 化学热点问题联系更为紧密。竞赛试题摒弃单一理论试题,试题深入与化学相关的实际主题,不再 空洞、乏味,更具趣味性和真实性。比如初赛第 25 届第 7 题是一道晶体结构试题,题干中“12000 年前,地球上发生过一次大灾变,气温骤降,导致猛犸灭绝,北美 Clovis 文化消亡。有一种假说认 为,灾变缘起一颗碳质彗星撞击地球。2010 年几个研究小组发现,在北美和格林兰该地质年代的地 层中存在超乎寻常浓度的纳米六方金刚石, 被认为是该假设的证据”的真实的描述引出了本题考查的 主角: 六方金刚石, 决赛第 24 届第 1 题提及偏钒酸钠降低糖尿病大鼠血糖的作用及钒化合物的应用, 与人类的健康密切相关。这些试题不仅普及了科学知识,还能极大激发中学生的科学兴趣。 竞赛结构化学很多试题对化学与生活及研究前沿的涉及只是略有提及, 在展示生活与化学的联 系和前沿研究成果方面不够深入,可以说试题对学生的感官刺激不够。近年来,我国化学科学家已 在化学研究前沿和化学应用领域中取得了斐然的成绩,物质结构与性质的研究已然成为最前沿化学 研究的主流,今后竞赛命题可能会跟多关注化学与生活问题、化学研究发展前沿与热点问题,关注

6

与结构化学有关的学术会议动态、最新研究成果、国家重点自然基金科研项目、重点实验室研究动 态?7?,从每年都备受瞩目的竞赛入手,在普及化学知识、增强化学前沿研究成果关注度上做出明确 的引导。

23.7%

化学理论知识延生 生产、生活实际 化学与社会热点问题 化学研究及发展前沿
27.8% 30.5%

化学理论知识延生 生产、生活实际 化学与社会热点问题 化学研究及发展前沿

6.8% 16.9%

52.5%
11.1% 30.5%

图 5:初赛结构化学试题知识点涉及面考查分析图

图 6:决赛结构化学试题知识点涉及面考查分析图

4 启示
“自主创新模式”是以学生自学为主,教师引导为辅成功的竞赛教学模式?8?,在结构化学的教学 中同样以注重激发学生兴趣、挖掘学生自学潜力为主?9?。总结近 15 年结构化学竞赛试题的特点,结 构化学的教学一方面要引导学生关注结构化学研究与发展前沿,由现象到本质、走进生活学习知识, 另一方面要理清竞赛结构化学知识体系,立足中学教材和大学教材开展教学?10?。对于化学免费师范 专业的大学生和中学化学竞赛的教练来说, 在日常的教与学中若能以竞赛真题为基础开展原子结构、 分子结构、配合物结构和晶体结构的专项训练,比如配合物推断题训练、晶体结构计算型试题的专 项训练等,则能避免题海战术,在扩展解题思路、探索解题方法和分享新认识的过程中提升自己和 学生的观察能力、分析能力和创新思维能力。

5 结语
结构化学试题对学生综合能力的考查和培养是“润物细无声”式的,通过进行结构化学知识学习 和试题练习的过程,启发学生学会运用分析、比较、概括、抽象、推理等手段解决化学问题,无形 之中锻炼了学生的观察力、思维力、想象力和创造力,这也是竞赛中结构化学试题在培养学生能力、 促进化学教育方面最大的贡献?11?。要游刃有余地解析结构化学试题,靠的不是知识的机械性照学照 搬,也绝非简单的知识提炼和加工,在学习过程中以兴趣为师、实践为友,敢于钻研、善于动脑、 灵活思维,不断的更新知识、举一反三,才能在结构化学的知识学习和应用中如鱼得水。
参 考 文 献
???朱月香,钱民协,段连运.结构化学教学中的“新”认识和“新”实践.大学化学,2011,26(5):15-19 ???钟才宁.物质结构理论在中学化学中的地位.黔南民族师范学院学报,2009,(3):62-63. ?3?钟才宁.物质结构理论在中学化学中的地位[J].黔南民族师范学院学报,2009,(3):62-63. ?4?高盘良,常文保,段连运.化学专业课程体系设计.大学化学,1999,14(2):21-23. ?5?周公度,段连运.结构化学基础.北京:北京大学出版社,2008. ?6?厦门大学化学系物构组.结构化学.北京:科学出版社,2004. ?7?梁世强.了解物理化学前沿成果,启迪学生的创新思维.广州化工,1999,27(4):114-116. ?8?王后雄,万长江.“自主创新”教学模式在化学奥赛中的培训与实践.化学教育,2003, (6) :39-42 ?9?莫尊理,包莹,杨佩佩,郭瑞斌.个性化教育在化学奥林匹克竞赛辅导过程中的实施. 化学教育,2012, (4) :75-78 ?10?冯涌.我们为什么要辅导高中化学竞赛. 化学教育,2011, (3) :67-69 ?11?蒙昌宇.结构化学教学与学生能力培养.现代企业教育,2012,(10):202.

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