化学考试大纲隐藏的命题趋势

孟凡盛　许娟

孟凡盛，湖北省特级教师，全国高中化学教学改革优秀教师，武汉市学科带头人。培养了多名省、市理科状元，多名学生高考化学获满分。

2014年高考化学考试大纲这样叙述化学科考核目标与要求：“化学科命题注重测量自主学习的能力，重视理论联系实际，关注与化学有关的科学技术、社会经济和生态环境的协调发展，以促进学生在知识和技能、过程和方法、情感态度和价值观等方面的全面发展”；要求考生“了解科学、技术、社会的相互关系（如化学与生活、材料、能源、环境、生命过程、信息技术的关系等）”。在深入研究考试大纲和近几年高考试题的基础上，我们认为石墨烯、储氢材料、微生物燃料电池、人工光合作用、温室气体的科学利用、氢化物等这些与中学化学基础知识密切相关，在解决能源问题和环境问题方面有良好应用前景的新材料、新技术、新理念，符合高考化学考核目标与要求，极有可能成为今后高考命题的新素材。本文通过挖掘这些新素材中的基础化学知识，设计了部分试题，希望对考生高考前的最后冲刺有些帮助。

一、关注新材料中的基本概念和基本理论

1.石墨烯

石墨烯目前是世上最薄、最坚硬、导电性最好的纳米材料，有望代替硅生产超级计算机；它的质量轻、强度高，可用来开发出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣。自2004年从石墨中分离出石墨烯之后，关于石墨烯的研究报道如雨后春笋般涌现，在Science、Nature上相关报道就有400余篇，又一场碳化学的革命正在悄然兴起。

例1 石墨烯是由碳原子构成的单层片状结构的新材料（结构示意图如图），可由石墨剥离而成，具有极好的应用前景。下列说法正确的是（ ）

A.石墨烯与石墨互为同位素

B.0.12 g石墨烯中含6.02×1022个碳原子

C.石墨烯是一种有机物

D.石墨烯中碳原子间以共价键结合

解析：质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子互称为同位素，如12C和14C互为同位素。相同元素形成的具有不同性质的单质互称为同素异形体，石墨烯与石墨是由碳元素形成的具有不同性质的碳单质，二者互为同素异形体的关系，A不正确。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不正确。石墨烯是碳元素形成的一种单质，不是化合物，也不是有机物，C不正确。

答案：D。

友情提醒：石墨、金刚石、足球烯、碳纳米管、石墨烯都是碳的同素异形体。

例2 指出石墨烯中碳原子的杂化类型，简述石墨烯导电的原因 。

答案：每个碳原子均以sp2杂化与周围的3个碳原子通过共价键结合，剩余一个未参与杂化的2p电子可以自由移动。

例3 石墨烯的导电性好，有望代替硅生产超级计算机。用有机物甲、乙合成石墨烯的反应（部分产物未写出）如下。下列叙述正确的是（ ）

①

②

A.甲、乙中均含有碳碳双键

B.反应①是取代反应

C.反应②是氧化反应

D.甲分子中的5个苯环可能共平面

解析：乙分子中含有碳碳三键和苯环，苯环中含σ键和大π键，没有碳碳双键，A不正确。甲与乙通过双烯合成反应形成了正中间的六元环，故反应①不是取代反应，B不正确。根据有机物去氢发生氧化反应知C正确。甲分子中有4個苯环，中间的五元环不是苯环，D不正确。

答案：C。

2.储氢材料

氢能作为一种储量丰富、来源广泛、能量密度高的绿色能源，在燃料电池以及替代化石燃料等方面展现了很好的应用前景。在利用过程中，其储存和运输是关键。因此，寻找高效低成本且又能规模化利用的储氢方法就成为研究热点。

例4 寻找高效储氢材料一直是化学家研究的重要课题。

（1） Li3N、Li2NH是非常有前景的储氢材料，储氢反应如下：

Li3N+2H2LiNH2+2LiH

Li2NH+H2 LiNH2+LiH

①上述反应的氧化产物是 。

②上述储氢反应必须在无水、无氧的条件下进行，原因是 。

（2）苯与环己烷的相互转化可以实现氢气的储存与获取：

（1）+3H2（g）（1） ΔH=-205.9 kJ/mol

用该法获取的1 mol H2可提供 kJ的净能量[已知：2H2（g）+O2（g）=2H2O（g） ΔH=-483.6 kJ/mol]。

（3）潜在储氢材料——化合物 A 是第二周期两种氢化物形成的，相对分子质量为30.8。刚融化的 A 释放氢气转变为B，B不稳定易聚合成聚合物C，C在155 ℃释放氢气转变为D，高于500 ℃时D释放氢气，转变为二元化合物E。A、B、D分别是乙烷、乙烯、苯的等电子体。（相对原子质量：H—1 B—10.8 N—14）

①A的结构式为 ，C的结构简式为 ，E的化学式为 。

②A转变为E总共释放的氢气所占的质量分数为 。

③写出D的结构式 ，D的二氯取代物有 种。

④为使A再生，有人设计了化合物D在水蒸气存在下与甲烷反应，写出A再生的化学方程式 。

解析：（1） 判断陌生氧化还原反应的氧化产物，符合考试大纲中“了解常见的氧化还原反应”及“根据化学式判断化合价”的考核要求。该储氢反应是氢元素的歧化反应，一部分H2（0价）得电子生成的LiH（-1价H）是还原产物，一部分H2（0价）失电子生成的LiNH2（+1价H）是氧化产物。LiH中-1价H阴离子具有强还原性，易被H2O、O2氧化；Li3N、Li2NH、LiNH2容易与水发生水解反应，因此储氢反应必须在无水、无氧的条件下进行。

（2） 该问的设计依据是考试大纲中“了解热化学方程式的含义，能用盖斯定律进行有关反应热的简单计算”。由环己烷获取1 mol H2吸收的能量为：205.9 kJ/3=68.6 kJ，燃烧1 mol H2放出的能量为：483.6 kJ/2=241.8 kJ，提供的净能量为：241.8 kJ-68.6 kJ =173.2 kJ。

（3）新情景下考查学生知识迁移能力、推理判断能力。将乙烷分子中的两个碳原子分别换成一个硼原子和一个氮原子，氮原子的孤电子对与缺电子的硼原子形成配位键就是A：H3B←NH3（H3CCH3的等电子体），去氢生成H2B=NH2（CH2=CH2的等电子体）；当聚合度为3，进一步去氢得到苯的等电子体无机苯：，无机苯的间位二氯取代物有2种（两个氯分别取代两个硼原子上的氢和两个氯分别取代两个氮原子上的氢），邻位、对位二氯取代物各有1种，共4种。H3BNH3的再生过程就是储氢过程（是题干中释氢过程的逆过程），可以理解为：甲烷与水蒸气反应生成CO2和H2，产生的H2再与无机苯加成得到H3BNH3，即产物为CO2和H3BNH3，根据质量守恒配平即可。

答案：（1） ①LiNH2。②LiH是强还原剂，易与H2O、O2反应；Li3N、Li2NH、LiNH2也易与水反应。

（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、關注新技术中的化学反应原理

考试大纲要求考生“了解能源是人类生存和社会发展的重要基础。了解化学在解决能源危机中的重要作用。”微生物燃料电池和人工光合作用与该要求十分吻合。

1.微生物燃料电池

微生物燃料电池是一种以微生物作为催化剂，将有机物的化学能转化成电能的先进能源技术。目前人类世界存在环境污染与资源短缺两大危机，微生物燃料电池在处理有机废物（包括有机废水和有机固体废弃物）的同时产电，实现废物处理和能源产出双赢，已成为环保领域研究的热点。

例5 一种微生物燃料电池工作原理示意图如下，微生物膜中的酶作催化剂。下列叙述不正确的是（ ）

A.电池工作时，既能净化废水，又能发电

B.X电极为负极，工作时发生氧化反应

C.正极反应式为2NO3-+10e-+12H+=N2↑+6H2O

D.该电池在常温和高温时都可以工作

解析：本题综合考查了环境保护、原电池原理、陌生电极反应式书写、酶等核心知识，同时考查学生观察理解能力。本题设计符合考试大纲能力要求中的“能够对中学化学基础知识融会贯通的能力”。该微生物燃料电池利用废水中的葡萄糖作还原剂，NO3-作氧化剂，既发电又净化废水，A正确。还原剂（葡萄糖）失去电子被氧化生成氧化产物（CO2）的电极是原电池的负极，即X为负极；氧化剂（NO3-）得到电子被还原生成还原产物（N2）的电极是原电池的正极，即Y是正极，B正确。NO3-中+5价的N得电子生成N2，留下的氧离子结合由负极区移动到正极的H+生成水，C正确。酶是蛋白质，高温时发生变性失去催化活性，故微生物燃料电池在高温下会失效，D不正确。

答案：D。

友情提醒：（1）阳极（负极）区不变，若将题图中阴极“含NO3-的废水”改为“向废水中通入空气”，则被还原的物质是氧气，阴极（正极）电极反应为：O2+4e-+4H+=2H2O。

（2）阳极（负极）区不变，若将题图中阴极“含NO3-的废水”改为“含铁氰化钾的废水”，则铁氰化钾被还原为亚铁氰化钾，电极反应为：[Fe（CN）6]3-+e-=[Fe（CN）6]4-。

（3）阳极（负极）区不变，若将阴极材料改为没有微生物膜的氧化银（Ag2O），阴极电解质溶液为含有机物的废水，被还原的是氧化银，电极反应为：Ag2O+2e-+ 2H+=2Ag+H2O。生成的银再制成氧化银循环使用降低成本。

2.人工光合作用

模拟植物的光合作用，使用太阳光能将水和二氧化碳大规模地直接合成为燃料和化工原料，这种“人工光合作用”技术备受瞩目。

例6 如图为植物光合作用原理示意图，仔细阅读后回答下列问题：

（1）从氧化还原的角度看，图中的光反应是 （填“氧化”或“还原”）反应，其反应式为 ；图中的暗反应是 （填“氧化”或“还原”）反应，其反应式为 。

（2）指出植物光合作用过程中主要能量转化方式 ，写出植物光合作用的化学方程式并用单线桥标明电子转移的方向和数目 。

（3）科学家模拟植物光合作用，设计了如图所示的人工光合作用工作原理示意图制备甲醇，金属电极上的反应式为 ，总反应的方程式为 。若光催化剂为氮化镓半导体，请写出氮化镓的化学式 ，并指出镓在元素周期表的位置 。

（4）用人工光合作用制备的CH3OH和H2O2为原料，设计了如下图所示的燃料电池，图中A处加入的物质是 ，Y电极上发生的反应是 ，电池工作时H+由 极移向 极（填“X”或“Y”）。

解析：本题力图反映2014年化学考试大纲强调的化学学习能力要求：“能够通过对实际事物、实验现象、实物、模型、图形、图表的观察，以及对自然界、社会、生产、生活中的化学现象的观察，获取有关的感性知识和印象，并进行初步加工、吸收、有序存储的能力”。

（1）该问的设计依据是考试大纲中的“能说出常见的能量转化形式”和“了解氧化还原反应的本质是电子的转移”。读图知，光反应是H2O中-2价的氧原子失去电子被氧化为O2，留下H+。暗反应是CO2中+4价的碳原子得到电子被还原，同时结合光反应产生的H+生成葡萄糖和H2O。

（2）光合作用过程中，能量由光能转化为化学能。第二空考生容易错误地写为C6H12O6+6O2或C6H12O6+6O2，前者错在6 mol H2O最多只能失去12 mol e-而标出的却是24 mol e-，后者错在6 mol CO2得到了24 mol e-而标出的却是12 mol e-。正确的思路是把第（1）问中的光反应乘以6与暗反应相加： C6H12O6+6O2+6H2O。

（3）由图知：金属电极上反应微粒是CO2、H+、e-，生成的微粒是CH3OH，隐含着CO2中+4价的碳得到电子被还原为CH3OH中-2价碳（即1 mol CO2得到6 mol e-）的化学意义。

氮是V A族的非金属元素显-3价，镓是IIIA族的金属元素显+3价，恰好形成原子个数比为1∶1的氮化镓（GaN）。镓位于元素周期表中第四周期IIIA族。

（4）考查观察能力，考生要敏锐地看到X极电子流出，说明X是负极，初步判断X极加入的应该是燃料CH3OH（还原剂），其电极反应式为CH3OH+H2O-6e-= CO2↑+6H+。向Y电极上加入的是氧化剂H2O2，电解质为酸，正极上应该是-1价的氧原子得到电子生成-2价的氧原子，进一步结合H+生成H2O。由以上电极反应知：负极生成H+，正极消耗H+，H+在电解质中由负极（X）移到正极（Y）。

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

（2）光能转化为化学能； 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转化方式是将光能转化为化学能，考生容易错误地认为是“将光能转化为电能”，该图也不是原电池示意图。

（2）“熟记并正确书写常见元素的名称、符号、离子符号”是考试大纲的要求，据此我们希望所有主族元素的名称和元素符号考生都要牢记！有些考生因为不记得镓的元素符号及周期表中的位置而失分。

三、關注新观念中的基本化学思想

CO2、CH4、N2O是当今三大温室气体。温室气体N2O在航天领域是一种宝贵的能源物质，西方发达国家对N2O的制备技术相当重视。科学家一直在探索如何减少CO2、N2O的排放及科学利用CO2、N2O。

例7 温室气体氧化亚氮在航天领域却是一种宝贵的能源物质。已知无毒的氧化亚氮高温分解生成单质。

（1）氧化亚氮与CO2的摩尔质量相同，氧化亚氮的分子式为 。

（2）将氧化亚氮送入赛车引擎，可以增加速度。简述原因 。

（3）四氧化二氮和偏二甲肼常用作火箭燃料。已知偏二甲肼的相对分子质量为60，其中含碳40%，含氢13.33%，其余为氮；又知其分子中有一个氮原子不与氢原子相连。写出偏二甲肼的结构简式 。在发动机中偏二甲肼在四氧化二氮中充分燃烧，写出该燃烧反应的化学方程式（反应中所有的氮元素均转化为N2） 。氧化亚氮和 （端羟基聚丁二烯）是新型火箭燃料，该反应的化学方程式为 ；与N2O4相比，氧化亚氮作火箭氧化剂的优点是 。[注：火箭氧化剂皆为液态]

（4） 每年排放到大气中10%的氧化亚氮，来源于环己醇与硝酸反应生产己二酸，该反应的化学方程式为 。合成己二酸的新方法：以钨酸钠（Na2WO4）为催化剂，用30% H2O2与环己酮（）反应，写出反应的化学方程式 。

（5）碳酸乙二醇酯在锂电池中有重要用途。已知：

+CO2

请以CO2、乙烯、空气为原料，利用绿色化学原则制备碳酸乙二醇酯，写出有关反应的化学方程式 。生产1 t碳酸乙二醇酯在理论上可以吸收 t CO2。

解析：考试大纲强调“掌握常见氧化还原反应的配平和相关计算”和“化工生产遵循‘绿色化学思想的重要性”，本题力图体现之。

（1）根据摩尔质量为44 g/mol知，氧化亚氮就是一氧化二氮，分子式为N2O。

（2）氧化亚氮分解生成的混合气体中，氧气占1/3，大于空气中氧气的含量（1/5），氧气浓度增大，加快了燃料燃烧的速率，从而增加赛车速度。

（3）n（C）=60×0.4/12=2，n（H）=60×0.1333=8，n（N）=（60-24-8）/14=2，分子式为C2H8N2，由“一个氮原子不与氢原子相连”知，偏二甲肼的结构简式为N—NH2。先判断这两种火箭燃料燃烧的产物都是CO2、H2O、N2，然后根据质量守恒配平。N2O4有毒，其分解产物NO2也有毒，会污染空气；因此无毒的N2O作氧化剂的优点主要是污染小。

（4） 考查新情景下氧化还原反应方程式的配平。环己醇中羟基连接的碳原子平均化合价为0价，其余碳原子平均化合价为-2价，己二酸羧基上的碳原子平均化合价为+3价，1 mol环己醇被氧化为己二酸失去电子的物质的量为8 mol，生成1 mol N2O得到8 mol e-，据此可以配平该方程式。环己酮中羰基上的碳原子平均化合价为+2价，其余碳原子为-2价，由环己酮氧化为己二酸失去6 mol e-，1 mol H2O2反应得到2 mol e-，因此H2O2的化学计量数为3。

（5）绿色化学的核心是原子利用率为100%。在银作催化剂时，乙烯可以氧化为环氧乙烷，再根据信息，环氧乙烷与CO2反应生成碳酸乙二醇酯。碳酸乙二醇酯的相对分子质量是88，是CO2（44）的2倍，所以生产1 t碳酸乙二醇酯在理论上可以吸收0.5 t CO2。

答案：（1）N2O。

（2）高温时氧化亚氮分解：2N2O2N2+O2，增大了O2的浓度，加快了燃料燃烧。

（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，对环境污染小。

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

+ 3H2O2HOOCCH2CH2CH2CH2COOH+ 3H2O。

（5）2CH2=CH2+O22，

+CO2；0.5。

友情提醒：乙烯绿色氧化生产环氧乙烷在必修2教材的最后一节，偏二甲肼与四氧化二氮的化学方程式在必修1教材的第四章第3节，部分考生对这些教材上的基础知识不熟悉，在最后冲刺阶段要安排时间弄懂、弄熟、弄透教材上的化学反应方程式。

四、关注氢化物中的基础化学知识

氢化物分为离子型氢化物和共价型氢化物，部分氢化物分散在中学教材的不同章节，运用中学化学原理还能理解教材上未涉及的氢化物（如CaH2、SiH4、B2H6）的性质，考前有必要对氢化物的性质进行归类整理。

例8 氢元素与其他元素既能形成离子键，也能形成共价键，在化合物中氢元素可能为+1价或-1价。回答下列问题：

（1） LiH中Li+的半径 H-的半径（填“大于”“小于”或“等于”）；CaH2与水剧烈反应生成密度最小的气体，写出CaH2与稀盐酸反应的化学方程式 。

（2）主族非金属元素与氢形成共价型氢化物。第三周期的气态氢化物，其热稳定性由强到弱的顺序为 （填分子式）。

（3）已知H、B、Si、Cl的电负性分别为2.1、2.0、1.8、3.0，甲硅烷（SiH4）分子中H元素的化合价为 。微量碱作催化剂时，甲硅烷遇水迅速水解生成SiO2·nH2O，写出该反应的化学方程式 。乙硼烷（B2H6）有强还原性，在空气中能自燃，乙硼烷的强还原性来自 。

（4）在乙醚中，氢化钠与乙硼烷反应能生成万能还原剂硼氢化钠（NaBH4），请推测NaBH4与水反应的最终产物 。

（5） 环状化合物甲（N6H6）有作为高能材料的可能性，甲分子中有3种化学环境的N原子和2种化学环境的H原子，且N原子均达到8电子结构，则甲的结构式可能为 。

解析：考试大纲规定“了解常见金属、非金属元素的重要化合物的主要性质及应用”，短周期元素的氢化物符合这一要求，而且多年没有系统考查过该知识。（1）核外电子排布相同的离子，核电荷数越大半径越小，故r（Li+）H2S>PH3>SiH4。（3）“知道元素的性质与电负性的关系”是大纲对考生的要求。氢元素的电负性大于硅元素的电负性，所以氢硅键的共用电子对偏向氢原子使氢原子带部分负电荷而显-1价，硅显+4价。甲硅烷与水反应方式与盐类水解相似：SiH4中-1价H与水中+1价H结合生成H2，+4价Si与水中羟基结合生成H4SiO4，H4SiO4再脱水生成SiO2·nH2O。由氢和硼的电负性知，乙硼烷中的氢元素显-1价，硼元素显+3价，结合前面的知识知道-1价氢元素具有较强还原性。（4）NaBH4中的3种元素的化合价依次为+1、+3、-1，与水反应时，-1价H与水中+1价H结合生成H2，+3价B与水中羟基结合生成一元弱酸B（OH）3，Na+则形成强碱NaOH，B（OH）3与NaOH继续反应生成NaBO2或NaB（OH）4。（5）依题意甲分子空间结构具有对称性，六元环、五元环、三元环状化合物中，均没有符合题意的，只有四元环状化合物中有两种符合题意。

答案：（1）小于；CaH2+2HCl=CaCl2+2H2↑。

（2）HCl>H2S>PH3>SiH4。

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

（4）NaBO2或NaB（OH）4、H2。

（5）

友情提醒：-1价H（如离子型氢化物CaH2和共价型氢化物SiH4、B2H6等）有较强还原性，易被氧气、水氧化；它们与水发生反应时，-1价H与水中+1价H结合生成H2。