邊永平

摘要：有關(guān)化學(xué)反應(yīng)歷程和反應(yīng)機(jī)理的考題以考查化學(xué)反應(yīng)歷程和反應(yīng)機(jī)理為載體，在考查化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)及規(guī)律以及基本概念和基本理論等知識(shí)的同時(shí)，重在考查學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：反應(yīng)歷程；應(yīng)答策略；高中化學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G632文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1008-0333（2024）11-0134-04

有關(guān)化學(xué)反應(yīng)歷程和機(jī)理的考題頻頻出現(xiàn)在近幾年的高考試卷當(dāng)中，例如在2020年全國(guó)卷Ⅰ、全國(guó)卷Ⅱ、北京卷、山東卷、浙江卷，2021年湖南卷、浙江卷、山東卷中均有考查.此類(lèi)試題以考查化學(xué)反應(yīng)歷程和反應(yīng)機(jī)理為載體，在考查化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)及規(guī)律以及基本概念和基本理論等知識(shí)的同時(shí)，重在考查學(xué)生的“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”等學(xué)科素養(yǎng).下面將有關(guān)化學(xué)反應(yīng)歷程和機(jī)理考題的試題特點(diǎn)和應(yīng)答策略舉例分析.

1 環(huán)式循環(huán)反應(yīng)歷程

試題特點(diǎn)：各步反應(yīng)歷程以環(huán)狀循環(huán)方式加以呈現(xiàn).設(shè)問(wèn)角度常有：判斷催化劑與中間產(chǎn)物；觀察分析某些元素的成鍵情況；書(shū)寫(xiě)反應(yīng)式等[1].

應(yīng)答策略：由外界進(jìn)入循環(huán)的物質(zhì)一般為反應(yīng)物，指向外界的為生成物，重復(fù)利用的物質(zhì)多為催化劑.在循環(huán)中，催化劑常與某些反應(yīng)物形成中間產(chǎn)物.催化劑原地轉(zhuǎn)圈，循環(huán)一周回到起點(diǎn).

例1某有機(jī)合成反應(yīng)歷程如下圖（圖1）所示（圖中展示的主要是碳骨架的構(gòu)建），

下列有關(guān)說(shuō)法不正確的是（）.

A.整個(gè)過(guò)程的總反應(yīng)原子經(jīng)濟(jì)性（原子利用率）達(dá)到最高

B.上述反應(yīng)中斷裂的共價(jià)鍵中既有極性鍵，又有非極性鍵

C.上述反應(yīng)中Co原子形成的共價(jià)鍵數(shù)目始終不變

D.上述反應(yīng)中，使用HCo（CO）3可使反應(yīng)的活化能降低

解析觀察循環(huán)圖可以發(fā)現(xiàn)：整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，丙烯（分子式C3H6）、CO和甲醇（CH3OH）為反應(yīng)物，甲基丙酸甲酯（分子式為C5H10O2）為生成物，

HCo（CO）3為催化劑.當(dāng)3種反應(yīng)物按著等量進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，恰好完全轉(zhuǎn)化為生成物，因此總反應(yīng)原子經(jīng)濟(jì)性（原子利用率）達(dá)到最高，即100%，即A項(xiàng)正確；上述反應(yīng)中，丙烯分子中的碳碳雙鍵（非極性鍵）發(fā)生斷裂，甲醇反應(yīng)時(shí)，羥基中的O—H鍵（極性鍵）發(fā)生斷裂，即B項(xiàng)正確；上述反應(yīng)中Co原子形成的共價(jià)鍵數(shù)目發(fā)生了變化，即C項(xiàng)錯(cuò)誤；上述循環(huán)反應(yīng)中，HCo（CO）3與3種反應(yīng)物結(jié)合成中間產(chǎn)物，最終又回到原點(diǎn).HCo（CO）3充當(dāng)催化劑，可使反應(yīng)的活化能降低，即D項(xiàng)正確.答案為C.

2 涉及能量關(guān)系的反應(yīng)歷程

試題特點(diǎn)：一個(gè)化學(xué)反應(yīng)常常分幾步進(jìn)行，命題方式常以圖像形式給出各步反應(yīng)對(duì)應(yīng)的能量變化.設(shè)問(wèn)角度常有比較各步反應(yīng)的快慢程度；計(jì)算指定反應(yīng)的反應(yīng)熱；比較各種中間態(tài)的穩(wěn)定性等.

應(yīng)答策略：一個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)熱取決于反應(yīng)物和生成物所具有的能量，能量越低越穩(wěn)定.活化能指的是反應(yīng)物由起始狀態(tài)到活化分子狀態(tài)時(shí)所吸收的能量.一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程往往包含多步中間反應(yīng)，決定整個(gè)反應(yīng)過(guò)程的快慢通常是由最慢的一步來(lái)決定.

例2將某些金屬插入甲烷分子中的C—H鍵，可以得到高氧化態(tài)過(guò)渡金屬化合物，此類(lèi)反應(yīng)經(jīng)常用于進(jìn)行光分解作用以及金屬有機(jī)化學(xué)等領(lǐng)域，下圖（圖2）是甲烷與金屬鋯（Zr）形成過(guò)渡金屬化合物的過(guò)程.下列說(shuō)法不正確的是（）.

A．整個(gè)反應(yīng)的快慢是由CH2—Zr…H2→狀態(tài)2反應(yīng)決定的

B．Zr+CH4→CH—Zr…H3

ΔH=+39.54 kJ·mol-1

C．在中間產(chǎn)物中，CH3—Zr…H的狀態(tài)最穩(wěn)定

D．反應(yīng)Zr+CH4→CH3—Zr…H的活化能為213.6 kJ·mol-1

解析一個(gè)化學(xué)反應(yīng)中，決定整個(gè)反應(yīng)過(guò)程的快慢通常是由最慢的一步來(lái)決定.由圖中可以看出：由CH2—Zr…H2到狀態(tài)2，活化能最高，即此步反應(yīng)最慢，即A項(xiàng)正確；反應(yīng)Zr+CH4→CH—Zr…H3，ΔH=+39.54 kJ·mol-1，B項(xiàng)正確；能量越低越穩(wěn)定，由圖中看出CH3—Zr…H的能量最低，即最穩(wěn)定，則C項(xiàng)正確；從圖中可以看出：反應(yīng)Zr+CH4→CH3—Zr…H的活化能應(yīng)為99.20 kJ·mol-1，D項(xiàng)錯(cuò)誤.答案為D.

3 帶有離子滲透膜的反應(yīng)機(jī)理問(wèn)題

試題特點(diǎn)：題目流程中涉及離子交換膜，離子之間通過(guò)協(xié)同滲透完成電子的傳遞作用.設(shè)問(wèn)角度常有判斷交換膜兩側(cè)離子種類(lèi)；書(shū)寫(xiě)反應(yīng)式等.主要考查氧化還原反應(yīng)的相關(guān)原理和規(guī)律.

應(yīng)答策略：根據(jù)交換膜兩側(cè)的反應(yīng)物和生成物確定總反應(yīng)式，分析出氧化劑和還原劑，從而確定出電子的得失情況，由此再進(jìn)一步分析離子間的轉(zhuǎn)化情況.

例3為了落實(shí)雙碳目標(biāo)，科技工作者通過(guò)控制光沉積的方法，研發(fā)出一種具有光催化性能的復(fù)合材料：Cu2O—Pt/SiC/IrOx，其中鐵離子和亞鐵離子滲透膜Nafion可以協(xié)同二氧化碳和水分別反應(yīng)，從而構(gòu)建出一個(gè)人工光合作用體系，該體系的反應(yīng)機(jī)理如下圖（圖3）所示：

回答下列問(wèn)題：

（1）該人工光合作用的總反應(yīng)式為；

（2）該過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換形式為；

（3）圖中通過(guò)交換膜的a、b分別代表的離子為.

解析（1）根據(jù)箭頭的指示方向，可以確定該人工光合作用的反應(yīng)物有二氧化碳和水，生成物為甲酸和氧氣，因此總反應(yīng)式為：

CO2+H2O催化劑HCOOH+O2

（2）由圖中可以看出該人工光合作用消耗了光能，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，儲(chǔ)存了化學(xué)能，即能量轉(zhuǎn)換形式為：光能→化學(xué)能.

（3）圖中離子滲透膜左側(cè)：H2O轉(zhuǎn)化成O2，氧原子失去電子；滲透膜右側(cè)：CO2轉(zhuǎn)化成HCOOH，碳原子得到電子，因此通過(guò)Fe2+與Fe3+相互轉(zhuǎn)化以及Fe2+與Fe3+在滲透膜兩側(cè)的滲透，從而實(shí)現(xiàn)了電子在滲透膜兩側(cè)的傳遞.即a為Fe2+，b為Fe3+.

4 有機(jī)合成路線(xiàn)中反應(yīng)機(jī)理的應(yīng)用

試題特點(diǎn)：題目給出某種有機(jī)物的合成途徑，并提供一些反應(yīng)機(jī)理信息，分析某些中間產(chǎn)物，根據(jù)提供的已知信息合成指定物質(zhì).

應(yīng)答策略：根據(jù)已知的反應(yīng)機(jī)理信息，分析合成路線(xiàn)中各物質(zhì)所含官能團(tuán)的演變過(guò)程，搞清有機(jī)反應(yīng)過(guò)程中的核心問(wèn)題——斷鍵部位與成鍵方式.

例4在有機(jī)合成領(lǐng)域，合成叔醇類(lèi)有機(jī)物，常利用酯類(lèi)物質(zhì)和格氏試劑（即烴基鹵化鎂：RMgX，X＝Cl、Br、I）進(jìn)行反應(yīng)，此法還可以合成含氧多官能團(tuán)有機(jī)物.下面是有機(jī)物F的合成路線(xiàn)：

已知有關(guān)合成反應(yīng)的機(jī)理信息：

（1）寫(xiě)出物質(zhì)A的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式，反應(yīng)類(lèi)型：B→C為，D中官能團(tuán)的名稱(chēng)為，C→D反應(yīng)的化學(xué)方程式為.

（2）寫(xiě)出符合下列條件的D的同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式（不考慮立體異構(gòu)）.

①有五元碳環(huán)結(jié)構(gòu)；②能和碳酸氫鈉溶液反應(yīng)放出二氧化碳；③能發(fā)生銀鏡反應(yīng).

（3）設(shè)計(jì)步驟D→E的目的是.

（4）寫(xiě)出以、甲醇和格氏試劑為原料， 的合成路線(xiàn)（其他試劑任選）.

解析 （1）根據(jù)題中信息得出：A中氫碳比很低，應(yīng)具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合信息①的反應(yīng)機(jī)理，可知A還應(yīng)具有碳碳雙鍵，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式應(yīng)為，

由B轉(zhuǎn)變成C：，即2個(gè)醇羥基分別被酸性高錳鉀氧化成羰基和羧基，即此轉(zhuǎn)變過(guò)程為氧化反應(yīng)；D中含有2個(gè)官能團(tuán)：分別為羰基和酯鍵；

根據(jù)反應(yīng)條件推知，C→D的過(guò)程發(fā)生的是酯化反應(yīng)，化學(xué)方程式為：

（2）根據(jù)題目條件，D（）的同分異構(gòu)體中應(yīng)具有：五元環(huán)、羧基和醛基，結(jié)構(gòu)應(yīng)有： .

（3）設(shè)計(jì)步驟D→E，結(jié)合已知②的反應(yīng)機(jī)理可知目的是保護(hù)羰基；

（4）依據(jù)題目所給信息，可以設(shè)計(jì)出目標(biāo)產(chǎn)物的合成路線(xiàn)如下：

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前新課改理念下對(duì)應(yīng)的高考命題，改變了相對(duì)固化的試題形式.有關(guān)反應(yīng)歷程和機(jī)理問(wèn)題，試題取材多以物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與反應(yīng)過(guò)程為主.解答此類(lèi)問(wèn)題，要求學(xué)生要從所給的圖表中提取和篩選出關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并與已有的知識(shí)建立聯(lián)系，對(duì)獲取的信息進(jìn)行加工整合，形成解題思路.考查了學(xué)生邏輯推理與批判性思維能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知等學(xué)科素養(yǎng)的考查.

參考文獻(xiàn)：

［1］?晏雄.淺談循環(huán)流程題的類(lèi)型與解答策略[J].中學(xué)生理科應(yīng)試，2021（10）：38-40.

［責(zé)任編輯：季春陽(yáng)］