对2019年高考理综1卷第10（化学）题的解析

之所以要把这个第10题，放在整个理综1卷的最后来进行解析。是因为它不仅表述“模糊”、内容“前沿”，而且是教师最不好“解析”的一道考题。大家很难把握好，其中到底发生了哪些变化，为什么会有这些变化，如何给学生讲清楚这些内容。

应该说，它在“新知识及新概念”导入，对化学教学的“冲击与震撼”，对教师“学习与进取”紧迫感的强化，都表现的淋漓尽致。不但在本卷中，就是在近几年的化学考题中，恐怕也是一个比较突出的典型题。

该题内容如下。

 

一、对各选项的解析    

这个题有4个备选的答案。

1. 对选项A的解析

从字面理解“在第一层中，HCl以分子形式存在”，是就“该层中是否有HCl分子”，而做出的一个自己的判断。

由于在示意图的第一层中，不但用“棍球模型”标记出了3个HCl分子。在该层化学组成实测数据“HCl：:H₂O=10^-3：1”中，还给出了HCl分子所占的份额。也就是用“图形”和“化学式”表明了，在第一层中确实有HCl分子。

所以，这个是一个简单的“看图说话”题。

示意图表明，选项A的说法是对的。

由于本题要求找出叙述错误的说法，所以选项A不是本题的答案。

如果学生一定要将这个说法理解成，“其中只有HCl分子，而没有Cl^-离子”。那就要稍微麻烦一些了。

它需要通过对第二层的观察，找出代表Cl^-离子的“符号”，它是中间涂有浅灰色的直径不小的“圆圈”。

而在示意图的第一层中，明显地没有画出这样的圆圈。况且，在表明该层化学组成的数据“HCl：H₂O=10^-3：1”中，也没有Cl^-离子的踪迹。

据此，他还可以进一步得出，其中没有Cl^-离子。也就是，“第一层中，所有HCl都以分子形式存在”，这样的结论。

这样“严格”一些看，选项A的说法还是对的。

2. 对选项B的解析

这是一个需要进行计算，据计算结果才能做出判断的选项。

由于要计算的是，H⁺离子的体积物质的量浓度。所以，最好取1.0 dm³（也就是1.0 L）的冰来进行这个计算。因为在该体积中某溶质的物质的量，在数值上就等于其体积物质的量浓度。

其中水分子的物质的量近似为（其中HCl的量很少），0.9×1000/18=50(mol)。

从图中还知道“Cl^-:H₂O=10^-4：1”，所以Cl^-离子的物质的量就是，[Cl^-]=50×10^-4=5×10^-3(mol)。

再考虑到，HCl分子电离会导致[H⁺]=[Cl^-]。当然就有，[H⁺]=5×10^-3 mol·L^-1。

从这个计算看，选项B的说法是对的。

还要看到的一点是，由于第二层中的[H⁺]一个是从上倒下而逐渐变小的量（它不会在到达第三层边界后，才突然从“5×10^-3 mol·L^-1”变为0）。那样，就只有将数据“5×10^-3 mol·L^-1”看做是“第二层中的平均[H⁺]”。选项B的说法才能成立。

如果，将该数据当做“该比值标记处的[H⁺]”，那用它来代表整个“第二层”的状态和[H⁺]，那就会出现一些问题。这是选项B的一个“模糊性”。

3. 对选项C的解析

这又是一个“看图说话”题，它仅涉及晶体第三层中，水分子的排列情况。

从该示意图的第三层来看，其中的水分子确实被排列的整整齐齐。并且而在其中找不到任何HCl分子、或Cl^-与H⁺离子的踪影（它们的出现，都会“改变氢键结构”）。

这两点都应该是“氢键结构网络保持不变”的表现。

因此，C的说法应该是正确的。它也不是这个题的答案。

如果有学生“从发展的眼光来看问题”，那就比较麻烦了。

从该图的数学含义看，所谓的“第三层”，它其实就是该冰晶体中的第6层水分子层（表层是1层，第二层中实际上包含有4层水分子）。

而为了保持住这个第三层水分子的“纯净”状态。那就需要，Cl^-离子与H⁺离子在扩散并达到冰的第5分子层后，就会一齐做出同样的决定，谁也不要再进入第6水分子层（也就是示意图中的第三层）。Cl^-离子与H⁺离子只准在第二层内的4个水分子层间迁移及扩散。

这样的事情怎么可能发生呢？如果不可能，C的说法就是错误的。

看来只能把该示意图理解为，这是HCl气体在冰表面吸附和溶解过程的一个极为初期的阶段，浓度还不大很的Cl^-与H⁺离子还未来得及进入第三层。

从命题意图看，这个图就是要告诉学生，H⁺离子与Cl^-离子在冰中的扩散都极为缓慢。在第二层中尽管都达到了[H⁺]=5×10^-3 mol·L^-1，经过了2-3个水分子层的“阻碍”后，就能够在第三层中将[H⁺]降为0。

当然，事实是否就会如此？考生还是过后再去怀疑吧。在考场中你们只有看图说话的资格和权利。

4. 对选项D的解析

这里特别要注意的是，有三个限定条件。即，各层间（不是层内）、可逆反应、和电离过程HCl H⁺+Cl^-。

这样，判断该说法对错的最为简单的方法就是：在任意两个层之间，只要缺少后两个特征中的任何一个特征，这个判断D就是错误的。

其实，“各层之间”这个要求就很难满足。难道没有任何接触的第一层与第三层之间，也能会有什么可逆反应吗？

仅凭这一点，就可以认定，D的说法是错误的。

退一步说，即便在第一与第二层间有可逆反应（有弧形的双箭号），并且也是关系到了电离过程HCl H⁺+Cl^-。但是在第二与第三层间，是绝对不会有这个可逆反应的。

由此，也同样会得出“D的说法错误”，这样的结论。

D的说法既然是错误的。它就是符合该题要求的唯一选项。

在一道高考题的4个选项中，竟然有3个可以用“在图中找出直接证据”的方法将其判断出来。它还能算作是一个化学题吗？

在教师们按照示意图的要求，给出上述解析后，当然还会有一些抱怨。这个示意图绘制的过于粗超。

教师应该以其为“范例”来告诉学生，什么才是比较科学的示意图画法。

二、示意图绘制中的一些不足    

该题的题干主要是一张“HCl在冰表面吸附和溶解过程的示意图”。其间只夹杂了两个不够完整的所谓实测数据。

作为晶体结构的示意图，学生自然是接触过很多了。其最大的特点是，为了看清楚图中各微粒间的位置关系，可以将晶格中的微粒体积缩小（也就是将微粒间的距离拉大），以避免相互间的遮挡与干扰。像这个图中的，水分子间有较大空隙，气相中分子间距离又较小，这些现象都是可以理解的。

但是，一些与“科学性”相关的知识和原理，在图中还是应该有比较明确地体现。

在本图中没有注意到的一些“科学性”问题是：

1. 冰晶体的分层

作为两相间分子相互作用的一个示意图，气相与固相间，只有一个唯一的界面（固体的外表面）。它的一侧是气相，另一侧是固相。

即便固相表面对外界某气体分子有吸附（这种现象应该很常见），固相的表面也不应该就自发地“扩展”到气相中去。而顶多是在固体的表面，再加上一个由气体分子定向排列，而构成“吸附层”。

“吸附层”中的分子与固体表面质点间的各类作用，才是导致该分子被“解吸”，还是“溶解”，还是“反应”，这种种不同变化过程得以进行的根本原因。

在这个示意图中，命题者人为地将“吸附层”划进了固相中，并把它与晶体外表面的第一水分子层，强捏在一起，而起名为“第一层”。这是没有任何道理的。

该图的分层情况应该如下图左端的文字所示。

 

在上述分层的基础上，考虑到分子间仅有的几种相互作用情况，可以推测出HCl分子在冰表面发生的变化，也就是HCl分子在冰晶体中进行的溶解情况（当然这只是一个猜测且示意性的过程）。

吸附层中HCl分子，与冰表面第一水分子层的H₂O分子间的氢键生成，是导致HCl分子在冰中的“溶解”的主要原因。

其过程可图示如下。

 

上过程中的图(a)表示，HCl分子在“取向”（分子极性所导致）的同时，向冰的表面靠近。

图(b)代表，HCl分子与H₂O分子间发生了化学吸附。也就是有“O-H…CI”与“Cl-H…O”，这样两个氢键的形成。

图(c)是这两个氢键削弱了HCl分子中的化学键后，这3个分子构成的一个“过渡态”。

图(d)是过渡态中的H-Cl键断裂，从而得到一个水合氢离子，和一个氯离子。

当然，这两个离子在其浓度还小的情况下，很难再复合成分子而回到气相中去。而只能是进入与其仍有静电作用的冰晶体的第一水分子层中。然后这些离子再向冰的内部逐渐扩散开去。

由此可以看出，原示意图中联系着第一层中HCl分子与第二层中Cl^-离子与H⁺离子的弧形“双箭号”，有一点“大写意”的味道。

它回避了晶体表面的第一水分子层中，到底有没有HCl分子、及H⁺离子和Cl^-离子的问题（在这层中实际上只画出了7个水分子）。这个示意图让HCl分子越过“第一水分子层”直接进入冰晶体的内部（HCl分子是通过冰中氢键的间隙过去的？）。也没有表示出，HCl分子在何处电离成了H⁺离子和Cl^-离子。

实际情况应该是，HCl分子的电离发生在冰的吸附层与第一水分子层之间。在冰的第一水分子层中就已经有了H⁺离子和Cl^-离子，而不会有HCl分子。且第一水分子层中H⁺离子和Cl^-离子浓度，要比其下任何一层水分子中的离子浓度都高（在这种未达溶解平衡的情况下）。           

2. 应该顾及到极性分子间的相互作用

在液态或固态中，极性分子相互间通常都会有“取向”和“诱导”作用。也就是分子会按一定的方向排列。这个示意图显然没有照顾到这个物理因素。

如，原图第一层中最左端HCl分子与H₂O分子间的“吸附”方式（如下左图），就是教师无法解释的。因为这两个分子不可能用各自的H原子，且采用相向的方式来接近、并被“吸附”住。

                   

再如，原图第二层右上部的几个分子和离子（如上右图），也有氢离子与氢原子的“扎堆”，及氧原子在“相吸”的问题。

这种注意到分子的极性，只需将某些分子原地旋转一个合适角度的工作。不是绘图难度问题，完全是意识问题。

3. 没有注意到氢离子存在的特殊性

在第二层中有4个代表H⁺离子的4个空心小圆圈。

这个H⁺离子的表示方法，存在一个概念性的错误。即，H⁺离子作为一个极小的质子，它不可能这样“孤零零”地存在。它起码也要结合上一个水分子，而成水合氢离子“H⁺₃O”（如下图）。

                                          

命题者之所以没有这样画，可能是为了让同学们，数起H⁺离子个数来，能看的更清楚一些的缘故。

但教师在讲解这个图时，应该指出这一特殊绘制方法的“原因”。

4. 离子大小应成比例

虽然是示意图，但是其中原子或离子的相对大小，也应该基本符合实际。

查得相关数据为：

元素种类	共价半径	范氏半径	离子半径
Cl	99	181	181
O	66	140	132
半径比Cl/O	1.5	1.3	1.4
体积比Cl/O	3.4	2.2	2.6

从中不难看出，Cl的各种半径都要显著地大于O。而体积，则起码都有一倍以上的差别。

而在该示意图中，Cl的各种半径与O比较，不只是相近，由于明暗的不同，还有Cl^-离子略小于O原子的感觉。这不但不符合事实，也不利于学生对Cl^-离子数的快捷观察。

应该把Cl^-离子画的比O原子大两倍（是181与66的关系）。这样，Cl^-离子的存在也会被表述的更清晰一些。

另外的一个问题是：如果有哪个学生真的数了示意图中的离子数，他就还会有一个困惑。

在原图中从左到右，就近找出3对半径大小不同（也就是电性相关）的离子后（如下图左），还会看到3个单独的离子（如下图右）。

               

这3个单独离子中的前两个，如果是一对的话，那剩下的一个会是什么离子？它为什么要成单呢？这应该算是绘图工作中的一个疏忽。

5. 冰中水分子的排列方式

冰中水分子的排列方式是受氢键制约的。即便在冰中溶解有了一些Cl^-离子与H⁺离子，也只能是使氢键结构发生局部性的改变。整个晶体中水分子的排列方式不会有大的变化。

但在这个示意图中，第一层与第二层间出现一个水分子排列方式的突变（在原示意图的左部，如下左图），在第二层与第三层间又有一个突变（如下图右）。

     

要知道，这些所谓的第一、第二、第三层，实际上都是人为划分出来的。在各层背景明暗已显著区分的情况下，还有必要置晶体整体的氢键结构的一致于不顾，而只把某些层的分子排列做这种刻意地“调整”吗？

除了上述绘图中的问题外，从指示性文字要规范和清晰的角度看，也存在着一些问题。

如，“气相”两个字，它与“层数”的作用相同。将其右移到“层数列”上端才更合适。

再如，第二层中表示部分组成关系的数据“Cl^-:H₂O=10^-3：1”，其含义也不够清晰。它是第二层中某个指定点的组分关系，还是整个第二层的平均组分关系？要知道，即便在这一层中，从上到下，Cl^-离子的浓度必然是在逐渐减少的。

总之，高考题在化学教学中的影响和作用不亚于教材。其中的示意图，也一定要精心设计与绘制，要经得起所有人的端详与推敲，要成为教学中的模板与典范。何况，它还是中国化学教育水平的代表，是中国化学教师治学精神与学术水平的标志。

三、给化学教学带来的思考

这个考题，不但示意图不规范，给出的解题条件模糊，其描述的现象也多是教师们很生疏的一些内容。

但这都不算什么。它给人最为深刻的印象是，对一系列化学基本原理的“挑战”与“颠覆”。

1.  电解质的电离条件

早在初中化学教学中，教师就用如下的图来描述酸分子（如HCl）在溶剂水中的电离过程。

 

这个过程实际上是由，“离子化”与“解离”这样的两个步骤来组成的。

教师在解释后一个的“解离”步骤时，一般还要附加上“由于水分子的无规则运动”，这样的解离条件。好像没有这个条件，两个带有异电荷的水合离子就无法被分开一样。

看来，这是教师们有些多虑了。因为在冰的外表面上，HCl都可以离子化。在这里，哪里会有什么水分子的无规则运动？水合离子不是照样摆脱掉静电作用，各自分散到冰晶体中去了？

2.  晶体的致密性

通常人们都人为晶体是致密的。一般情况下一种物质不会进入另一种物质晶体的表面，并进而能穿越过该晶体。

当然，在讨论一切物质都处于不断运动中时，教师也可能会举出如下的例子。

将一块Pb板与一块Au板严密地叠放在一起，并压上一块重物。经过很长的时间（当然是经年累月），在Pb板中就可以检测到Au，反之在Au板中也可以检测到Pb。

再如，在Cu的表面电镀Au时，一定要先在Cu的表面先镀上一个镍镀层，作为金与铜间的阻挡层。就是为了防止金与铜间的相互扩散。

对于上述现象，作为化学工作者比较好理解的是，金属晶体中的金属键是弥漫在整个金属晶体中的。在金属晶体中金属原子的热运动没有什么明显的阻力。浓度梯度或熵效应就是这种运动的源动力。

而分子对晶体的“穿透”问题，也是有一些实例的。像，电镀时镀件的“氢脆”现象，就是氢气分子进入金属晶体后，导致的金属晶体强度降低。像，更高温高压下氢气可以穿透氨气合成塔的外壁。这写也都是教师可以解释的。因为氢气的分子与金属原子相比较，实在是太小了。

其实，作为化学工作者更多考虑的是，这种变化的量、及变化的时间。因为在常温常压、且有限时间内，氢气穿透过钢铁容器壁的量是如此之慢、且如此之少。以至于，人们可以认为，上述现象并不是氢气或单质铁的一个典型性质。

对于这个HCl分子进入冰晶体的“事实”，也应该这样来对待。因为，在这个实验中，HCl分子才只是进入到了冰晶体的第六分子层。

一些教师如果继续外推的话，就会得出这样的结论：如果时间足够长的话，Cl^-离子与H⁺离子就会继续向冰的内部扩散，并直达其另一个外表面。如果另一外表面处没有HCl分子的话，Cl^-离子与H⁺离子就会再变成HCl分子而逸出。这实际上就是完成了，HCl分子对该冰晶体的一个穿越。

这是可能的吗？关键在于速度与时间。如果要经年累月的话，这就没有什么意义，教师也就没有这样“外推”的必要。

教师对其难于处理的是，示意图所示的实验是在多长的时间内完成的，命题者又没有挑明。在没有查找到该实验条件的情况下，化学教师们还是应该谨慎一些讨论后续问题为好。

3.  海冰中是否有氯化钠

Cl^-离子能够进入冰晶体。作为一个实验事实，也会引起一些教师的恐慌。

因为，在讨论海水结冰时，教师都会指出。由于，在海水降温时先析出的是冰、这个固相。所以，可以用这个方法来淡化海水。

但是，在这个“溶解”实验中，Cl^-离子不是没有任何阻碍地进入到了冰晶体中吗？这样怎么还能得到不含NaCl的冰呢？

从离子半径来看，问题更是棘手。因为Na⁺离子的半径才97pm，比Cl^-离子的181pm，小了近一半。Cl^-离子可以通过的空隙，Na⁺离子似乎都可以无障碍地通过。

看来，在海冰中是否还含有少量NaCl的事实，在没有弄清楚之前。一些所谓的“解释”都是没有意义的。

除了上面这些问题之外，这个溶解实验给人们的“启示”还有很多。如，氢离子及其它离子在冰中运动的形式，还有哪些分子可以溶解在冰中，是否有类似溶液的依数性现象，对南极冰盖钻探所得“冰芯”的解读，都有可以谈论与探究的余地。

但是，作为一道需要在化学教学中不断“曝光”的高考题，是不是距中学化学教学实际也过于遥远了。

参考文献

[1] 北京师范大学等校. 无机化学（第三版）. 高等教育出版社. 1992年