2001-2010年全国高中学生化学竞赛(初赛)有机化学试题分析

朱彬,赵从军

(遵义师范学院化学系,贵州遵义563002)

自1984年中国化学会组织全国中学生化学竞赛至今,全国中学生化学竞赛已经举办了24届。全国中学生化学竞赛的开展,在普及化学基础知识,提高青少年学习化学的兴趣,加深对化学知识的理解,提高灵活运用化学知识的能力,激发和培养中学生的思考与创造能力,推动中学素质教育等方面起到了非常的重要作用,同时也为国内高校选拔了大批化学专业的拔尖人才。全国中学生化学竞赛是中学化学教学中培养尖子学生的一条重要途径,是化学学科面向全体、重视个体差异的重要体现。因此分析研究近年的竞赛试题,无论是对做好竞赛的培训工作还是正确把握试题的发展方向都有积极的意义。

从近10年全国高中生化学竞赛(初赛)试题的特点来看,试题都是以“全国高中学生化学竞赛基本要求[1]”来命制的。试题力图使参赛选手在知识、能力和素质方面获得提高。竞赛的每个环节都尽量创造条件,使选手接触最新科技发展成果,获得最新概念,同时引导学生深入思考,鼓励他们创造性地学习,包括对已掌握的非化学知识的应用；开发青少年学生的潜力和学习能力,使他们加强进取和竞争意识,培养思维和工作的准确性、持久性、创造性以及强烈的社会责任感和敬业精神[2]。分析2001—2010年全国高中学生化学竞赛(初赛)有机化学试题可以发现,试题涵盖的知识面宽、层次深,难度大,有利于培养学生将所学知识与生产生活实际相结合,有利于培养学生良好的科学素养。试题内容包括系统命名、结构推导、同分异构体的书写、立体化学、反应历程、烃的衍生物的性质和衍变关系、有机化学中各类有机物的基本物理、化学性质等,试题题型创造性强,重点考察学生运用所学知识解决实际问题的能力。

1 试题结构分析

从2001—2010年全国高中学生化学竞赛(初赛)试题来看,试题内容涵盖了无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、结构化学五个化学主干学科。考察的试题均以主观题的形式呈现,卷面总分为100分。试题题量比较稳定,一般为12题左右(见表1),有机化学试题一般出现在试卷的后半部分。纵观这十年的试题,五个主干学科所占的分值比例见表2。

表1 2001-2010年全国高中学生化学竞赛(初赛)试题数

表2 2001-2010年全国高中学生化学竞赛(初赛)各学科试题所占分值

从表1可以看出,2001、2002、2004年题量最大,共有13个大题,而在2005和2009两年,均只有10个大题。通过表2可以看出,有机化学在竞赛试题中所占的比例最大,这可能是因为：在人类已知的化合物中,有机化合物占了绝大多数,与生命活动密切相关的有机化合物广泛存在于人类居住的地球上,使地球充满生机与活力,近年来,新合成的有机化合物数以千万计,极大地丰富了我们的物质世界,满足了日益增长的社会需要,提高了人们对物质及其变化规律的认识。当今,有机化合物的应用已深入到人类生活的各个领域。

2 试题特点

2.1 题量相对稳定,难度略有增加

每年的有机化学试题总体在题型、题量方面几乎相近,基础性较强,难度略有增加,一些试题的水平要求较高。从试题本身来看,既保留了优秀的传统题目,又突出了环保、化学用语、实验中的思维能力等方面的考查。整体看有机化学试题的难度控制较好,试题的区分度较高,因而保持了很好的相对稳定性。

(2002·8①2002·8指2002年全国高中学生化学竞赛初赛试题第8题，下同。)化合物A和B的元素分析数据均为C 85.71%,H 14.29%。质谱数据表明A和B的相对分子质量均为84。室温下A和B均能使溴水褪色,但均不能使高锰酸钾溶液褪色。A与HCl反应得2,3－二甲基－2－氯丁烷,A催化加氢得2,3－二甲基丁烷；B与HCl反应得2－甲基－3－氯戊烷,B催化加氢得

2,3 －二甲基丁烷。

(1)写出A和B的结构简式。

(2)写出所有与A、B具有相同碳环骨架的同分异构体,并写出其中一种异构体与HCl反应的产物。

该题考察了运用元素的百分含量和相对分子质量来推导化合物的分子式,进而利用环丙烷衍生物的加成反应来推导化合物的结构式。如果学生掌握了环丙烷加成反应的有关知识,便能正确解答试题。

(2007·10)尿素受热生成的主要产物与NaOH反应,得到化合物A(三钠盐)。A与氯气反应,得到化合物B,分子式C3N3O3Cl3。B是一种大规模生产的化工产品,全球年产达40万吨以上,我国年生产能力达5万吨以上。B在水中能持续不断地产生次氯酸和化合物C,因此广泛用于游泳池消毒等。

(1)画出化合物A的阴离子的结构式。

(2)画出化合物B的结构式并写出它与水反应的化学方程式。

(3)化合物C有一个互变异构体,给出C及其互变异构体的结构式。

(4)写出上述尿素受热发生反应的配平方程式。

此题考察了加热条件下尿素分子间脱氨生成环状三聚氰酸的反应,要求考生不仅能正确写出产物的酮式结构,而且能将酮式结构转变成醇式异构体,方能正确画出化合物A的阴离子的结构式。与上一题相比较,此题难度明显加大,对能力的要求更高,学生必须具有一定的发散性思维能力方能正确解答,这也正是全国高中学生化学竞赛的目的所在。

2.2 试题新颖、真实化,命题素材源于生产生活

当今世界正面临环境日益恶化、能源短缺、生态平衡遭到破坏、食品安全等一系列问题,竞赛命题常以此为设问对象,要求考生运用化学知识去分析、去评价,以此达到宣传和教育的目的。

(2002·7)据报道,我国酱油出口因“氯丙醇”含量超标而受阻。

(1)据研究,酱油中的“氯丙醇”的来源可能是酱油原料中的杂质脂肪水解产物甘油的羟基被氯取代的衍生物；另一来源可能是用离子交换树脂纯化水配制酱油,由于交换树脂采用1,2－环氧－3－氯丙烷(代号A)作交联剂,残留的A水解会产生“氯丙醇”；此外,A还可能来自包装食品的强化高分子材料。试写出由甘油得到的“氯丙醇”的结构简式和A水解的反应方程式,反应涉及的有机物用结构简式表示。

(2)在同一个碳上同时有2个羟基或者一个羟基和一个氯原子的“氯丙醇”是不稳定的,在通常条件下会发生消除反应,请给出2个反应方程式作为例子。

(2010·10)灰黄霉素是一种抗真菌药,可由A和B在三级丁醇钾/三级丁醇体系中合成,反应式如图1：

图1 2010年10题反应式

(1)在下面灰黄霉素结构式中标出不对称碳原子的构型。

图2 2010年10题物质结构图

(2)写出所有符合下列两个条件的B的同分异构体的结构简式：

1)苯环上只有两种化学环境不同的氢；2)分子中只有一种官能团。

(3)写出由A和B生成灰黄霉素的反应名称。

近年来的竞赛试题,充分体现了化学学科的特点。以实际情景为依托,融有机化学重难点理论、有机化学基础知识为一体的考察方式,在内容选择上,积极关注与化学相关的社会热点问题,力求反映现代化学研究的最新成果,选材新颖而又贴近学生生活实际,内容涉及环境保护、食品安全、药物合成、新型高分子材料、能源等领域,充分体现了化学的应用价值,易使学生形成认同化学、喜爱化学的真切感受。

2.3 加强学生创新精神和创造能力的培养

素质教育的核心是培养学生的创新精神和创造能力,创新精神是一个国家和民族发展的不竭动力。创新精神的核心是创造性的科学思维,它是创造能力的催化剂。创造性思维的特点是敢于想象,思维具有发散性,有独特的知识结构以及活跃的灵感,因此培养学生的创造性思维能力是培养创新人才、全面实施素质教育的根本要求。

(2003·1)二战期间日本是在战场上唯一大量使用毒气弹的国家,战争结束日军撤退时,在我国秘密地遗弃了大量未使用过的毒气弹,芥子气是其中一种毒气。芥子气的分子式为(ClCH2CH2)2S。人接触低浓度芥子气并不会立即感受痛苦,然而,嗅觉不能感受的极低浓度芥子气已能对人造成伤害,而且,伤害是慢慢发展的。

(1)用系统命名法命名芥子气。

(2)芥子气可用两种方法制备。其一是ClCH2CH2OH与Na2S反应,反应产物之一接着与氯化氢反应；其二是CH2=CH2与S2Cl2反应,反应物的摩尔比为2:1。写出化学方程式。

(3)用碱液可以解毒。写出反应式。

(2007·1)2003年5月报道,在石油中发现了一种新的烷烃分子,因其结构类似于金刚石,被称为“分子钻石”,若能合成,有可能用做合成纳米材料的理想模板。该分子的结构简图如图3：

图3 2007年1题物质结构图

(1)该分子的分子式为；

(2)该分子有无对称中心？；

(3)该分子有几种不同级的碳原子？；

(4)该分子有无手性碳原子？；

(5)该分子有无手性？。

竞赛试题往往将往年的“熟题”和“成题”进行改造形成新的试题。命题者一般从设问方式、障碍设置、考查内容等方面进行改造,以达到推陈出新的目的。因此在平时训练中,教师应从不同角度对试题进行全面分析,使学生对同一知识点或方法作多角度的分析和思考,全面的理解其内涵和外延,提高学生的学习能力。必须加强学生收敛思维和发散思维、正向思维和逆向思维、辩证思维等的培养,使学生能够结合自己已有的基础知识解答试题。如以上两题,系统命名、分子式的确定、对称性判断、手性判断都是属于常考的题型,它要求学生具备灵活运用所学基本知识创建未知知识的能力,同时还考察了学生面对陌生知识的心理承受能力和应变能力。中学化学教学承担着培养学生科学创新精神和创新能力的重任,学生科学创新精神和创新能力培养的基础是学生的创造性思维,而学生创造性思维能力的培养要依赖于创造性的教学[3]。

2.4 加强学科综合,突出学科能力

有机化学是一个充满生机的领域,新的研究成果不断涌现,因此在竞赛试题中也不断出现新研究成果的试题。这类试题都以有机合成路线的方式作题面,在2004年以前多以有机合成反应式加方框图的形式出现,从2004年以后将试题中的方框用A、B、C等英文字母代替,主要要求考生根据提供的反应式(反应条件)写出反应中空缺的反应物(产物、反应条件),在近十年的竞赛试题中有8年出现了这类试题(见表3),是竞赛试题中最常见的题型。此类试题能够全面考查学生对所掌握的有机化学知识的综合应用能力,因此所占分值比例也较大。

表3 2001-2010年全国高中学生化学竞赛(初赛)以有机合成路线作题面的试题及分值

(2001·9)1997年BHC公司因改进常用药布洛芬的合成路线获得美绿色化学挑战奖：

旧合成路线见图4：

图4 布洛芬旧合成路线

新合成路线见图5：

图5 布洛芬新合成路线

(1)写出A、B、C、D的结构式(填入方框内)。

(2)布洛芬的系统命名为：。

(2008·11)1941年从猫薄荷植物中分离出来的荆芥内酯可用作安眠药、抗痉挛药、退热药等。通过荆芥内酯的氢化反应可以得到二氢荆芥内酯,后者是有效的驱虫剂。为研究二氢荆芥内酯的合成和性质,进行如图6的反应：

图6 2008年11题反应式

写出A、B、C、D和E的结构简式(不考虑立体异构体)。

以上两题均属以有机合成路线作题面的试题,是利用框图的结构与给出的条件做逻辑推理。此类试题难度较大,考查的有机反应类型较多,学生需要较为全面的掌握有机化学基本反应,才能正确解答。如2001年第9题题中的Friedel-Craf ts反应,Dazen反应均为大学有机化学的知识点。这类试题对于应试者为高中学生来说,虽有一定的难度,但也决不是束手无策。此类试题可利用逆合成原理,命题者在命制此类题时,常常把其中一步(或几步)关键步骤模糊化,好像是拆了桥,却留下桥墩。只要解题者根据题中所给出的新信息重新搭起桥,就能顺利将题解出[4]。只要学生能全面把握框图的结构,熟练掌握官能团之间的相互转化关系,通过已知物、反应条件等就可推导出未知物。

(2006·10)以氯苯为起始原料,用最佳方法合成1-溴-3-氯苯(限用具有高产率的各反应,标明合成的各个步骤)。

这是一道典型的有机合成题,是竞赛试题中的新题型,对于不太熟悉有机合成设计技巧的中学生来说,难度很大。它不仅要求学生要熟悉有机化学的基本反应,熟练掌握官能团的相互转换,而且还要掌握有机合成设计的一些方法和技巧,具备一定逆合成分析的能力,方能按试题的要求用最少的步骤和高产率的反应设计出合成路线。如上题中定位基团氨基的引入、保护和脱去都是此题的难点。这类试题在近十年的试卷中只出现过一次,今后是否还会出现还有待进一步的观察。

3 结语

化学竞赛是以课外活动对课堂知识作适当补充为基础的,只靠中学化学大纲进行的课堂教学是难以在竞赛中取得优胜的。因此,在课外补充化学知识显得格外重要,学生应该在课外活动中尽量补充大学化学的基础知识,我们既不应该要求竞赛的知识储备跟大学化学完全相同,也不应该只局限于中学化学的知识水平,这里存在一个度的问题,只有把握好“度”的原则,才能使教学获得良好效果,也才能使学生学有所得,如何把握这个“度”需要参加竞赛辅导教师的共同努力。对于高中学生化学竞赛现在有二种不同的观点,一种是以中学化学大纲的知识点为背景出题；另一种是以尽量高的知识水平为背景进行命题；综合起来,尽量往中学化学水平上靠最好,但是绝不可能只按中学化学水平进行竞赛,原因是我国的中学化学教育水平(指作为升学预备教育的化学课程的知识水平)比国际中学化学教育的水平低；从“面向世界”的角度着眼,只在中学化学知识基础上展开化学竞赛是不可行的,我们努力发展的是高智力型的化学竞赛,这种高智力型的竞赛,应该作为课堂教学的延伸和补充。总之,新课程改革下的化学竞赛复习备考,需要研究化学竞赛试题的命题特点,认清竞赛试题的命题意图和规律。只有明确教师辅导和学生复习的方向,才能使教师不断提升自身的教学辅导水平,学生不断提高学习的效率。教师在辅导过程中还要注重夯实基础,联系生活实际,关注热点问题,切实锻炼和提高应试者运用知识的能力,只有这样,应试者才能在化学竞赛中获得优异成绩,教师才能为祖国培养出更多栋梁之才。

[1] 中国化学会科学普及工作委员会.全国高中学生化学竞赛基本要求(2008年4月修订)[EB/OL].http://www.ccs.ac.cn/news/?hid=117,2011-07-10.

[2] 国际化学奥林匹克竞赛史[EB/OL].http://news.fudan.edu.cn/2006/0113/8349.html,2011-05-18.

[3] 袁晓春.论中学化学教学中学生创造性思维的培养[J].昭通师范高等专科学报,2004,(2):71-76.

[4] 陈进前.新型有机试题的解答策略[J].考试(高考语文版),2002,(10):43-45.