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绘制草图法在解竞赛题中的应用
邢瑞斌 * 刘传铎
（ 沂水县第三中学 山东 沂水 276400 ）
注：此文已发表于《中学化学教学参考》2007.6
摘要： 在提供新信息来推断未知物组成、结构和性质的化学竞赛试题中，常因信息量大，难以把握，彼此孤立，难以归纳，而无法突破解题。本文就针对这一点试图用绘制草图的方法对几道典型赛题进行分析，探讨此法在解这类试题中的妙用。
关键词： 化学竞赛 整合信息 绘制草图
根据试题提供的新信息来推断未知物的组成、结构和性质是化学竞赛试卷中的一种常见题型，试题提供的新信息和要推断的物质大都是教材中没有学过的。因此，此类题目能够很好地考察参赛选手搜集、提炼以及整合新信息的能力。由于题目提供的信息量大且又较陌生，信息间的联系又较少，故解答这类题目时往往因信息量大，难以把握，又因信息彼此孤立，难以归纳，从而无法找到解题的突破口。本文就针对这一点试图用绘制草图的方法对几道典型赛题进行分析，探讨此法在解这类试题中的妙用。
例题1.（2005年全国初赛，3）等摩尔的丙酮和过氧化氢混合，在盐酸催化下生成白色粉末A和水，反应进行完全，产物分子总数是反应物分子总数的2/3。A在撞击、摩擦和加热时发生爆炸，被称为熵炸弹。
3-1 A分子中氧的化学环境相同。画出A的立体结构（H原子不必画出）。
3-1 A发生爆炸生成丙酮等物质，并不燃烧起火。写出爆炸的反应方程式。
3-1 为什么A被称为“熵炸弹”？
3-1 合成A是十分危险的，不慎会在合成时瞬即发生爆炸，例如，温度稍高，反应将生成A的同系物B，B的相对分子质量为A的2/3。画出B的结构；B比A更容易爆炸，应如何从结构上理解？（注：在H2O2分子中的H—O—O夹角约95oC，面夹角约112oC。）
【思路探究】
解此题的关键是找到突破点。整个试题围绕着A的结构和性质作了很多文章，所以解题的关键是突破A 。首先要找到相对独立的线索，只有这样，才能突破它。由于此题涉及的知识在中学教材中没有提及（但这种方法却涉及到），所以此题首先旨在考察参赛选手对信息进行联想、类比、迁移的再创造能力。由于题给信息较多且孤立，不好判断，此时我们可对题目提供的信息制作如下的信息关系草图以帮助突破。
从图中提供的信息可知：A是等摩尔的丙酮和过氧化氢反应的产物，从丙酮 和H2O2的结构分析和“A分子中氧的化学环境相同，结构高度对称” 这两点综合起来看，反应只能发生在羰基（>C=O ）上，分子总数反应前后之比为3：2 ，分子数在减少，且有水生成，很可能发生了“聚合”反应和“取代或氧化”反应（给H2O2→H2O过程中减少的O原子找去向 ）；此时可联想到中学化学中学习的知识：乙醛在室温下容易发生聚合反应生成环状三聚乙醛，不难类比出，在特定的条件下丙酮也可以发生三聚生成三聚丙酮，这一点与A高度对称恰好吻合（不要以为只要聚合反应一定得到高聚物）。那O原子哪里去了呢 是不是插在它们中间？这时，我们可以回忆起在高中化学学习过程中经常涉及到的冰醋酸与H2O2 在稀酸作用下生成过氧乙酸的“取代反应”（此反应在“非典”期间广泛应用到制取高效快速消毒剂，应该很熟悉） ，这一点联想正与“H2O2结构中H—O—O夹角、面夹角”的提示相呼应，再结合 “ 温度高时，A变为B且B是A的同系物，MB ：MA = 2：3 ” 易联想到 “ 2 O3 = 3 O2 ” 的反应 ，然后，“上下求索、左右逢源、前后呼应” ，进行“综合分析”之后，神秘A 的立体结构也就不难推出来了。最后根据A 的结构再进行其他方面的分析。
【试题解答】
3-1
参考图：
(注：分子中C-O-O-C不在一个平面上，否则不得分)
3-2 C9H18O6 = 3 + O3 ( 或3/2 O2 也可以)
3-2 爆炸反应不是燃烧反应，能量改变不大，是由于生成大量气态小分子导致的熵增加效应，因而称为“熵炸弹”。
3-2
参考图：
B是双聚分子，分子的六元环不能满足过氧团的正常键角（C-O-O-C面间角和C-O-O键角）的需要，导致分子张力太大而不稳定。
【反思点评】
此题提供的信息对选手来说是完全陌生的，但涉及到的知识基础却没有超出中学化学。因此，此题的能力要求很高，要求灵活运用中学学到的基本知识创造未知知识的能力，同时也考察了选手面对陌生的心理承受能力和应变能力。 通过类比联想在中学化学范围内找到与试题类似的知识点，然后进行迁移创新，这就需要选手具有活跃的思维、广博的知识、丰富的联想，积极追根溯源的品质。如果选手没能及时联想起“做乙醛银镜反应不成功的原因之一是乙醛发生聚合反应生成三聚乙醛”和“ ‘非典’时期过氧乙酸的制备原理”这两方面预备知识的话，就根本无从下手，也就实现不了新知识的生长和新问题的解决，更谈不上能力的创新。另外，解这类试题最不能忘记的一点是所有的信息都应当吻合，在联想类比中变通，这就考察了选手思维的严密性、全面性和灵活性。解题时，不能把类比到的三聚丙酮跟H2O2 发生氧化反应了事，这样就与“等摩尔的丙酮和过氧化氢反应生成 A和水”的前提相矛盾；在写化学反应方程时，不能忽略掉反应前后的分子总数关系为3：2这一限制条件也体现了这一点。结构的判断与绘制，还需要选手具有很好的空间想象能力和绘制技巧，这也是本题的一个亮点。
例题2.（2006年全国初赛，6） 潜在储氢材料——化合物 A 是第二周期两种氢化物形成的路易斯酸碱对，是乙烷的等电子体，相对分子质量30.87，常温下为白色晶体，稳定而无毒。刚刚融化的 A 缓慢释放氢气，转变为化合物B（乙烯的等电子体）。B 不稳定，易聚合成聚合物 C（聚乙烯的等电子体）。C 在155oC释放氢气转变为聚乙炔的等电子体，其中聚合度为3的化合物 D 是苯的等电子体。高于500oC时 D 释放氢气，转变为化合物 E，E 有多种晶型。
6-1 写出 A、B、C、D、E 的化学式。
6-2 化合物 A 转变为 E 各步释放的氢所占的质量分数以及总共释放的氢气所占的质量分数多大？
6-3 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，写出化学方程式。
【思路探究】
这是一道科学猜谜式的推断性试题。解题的关键是充分理解和综合利用信息，思考线索可以用如下草图表述：
从图中表露出的信息可知：A是“第二周期”、“两种氢化物”、“路易斯酸碱对”的化合物，符合条件的有：BH3 、NH3 、H2O 、HF，又因为与 C2H6 互为等电子体（高中化学教材中已经涉及），不难推断出A可能为H3B:NH3，这与 A 的相对分子质量为30.87 相一致，即可确定出A 的化学式。再根据A释放出氢气转变为化合物B（与乙烯（C2H4）互为等电子体）便可推知：B 化学式为BNH4 ；至此，C（与聚乙烯(C2H4)n 互为等电子体）、D（与聚乙炔(C2H2)n互为等电子体，聚合度为3的化合物 D 是苯的等电子体，联想到“无机苯”）、 E（高于500oC时，无机苯中氢又转变为氢气，且有多种晶型 ）的组成也就一目了然了，然后再进行各步的计算。
【试题解答】
6-1 A H3B:NH3（或 BNH6） B H2B=NH2（或 BNH4） C D B3N3H6 E BN
6-2
A→B 2.016/30.87 = 6.531 %（或0.06531)
B→D 2.016/28.85 = 6.988 % (或0.06988）
D→E 6.048/26.84 = 7.511 %（或0.07511）
A→E 6.048/30.87 = 19.59 % (或0.1959)
6-3 化学方程式 ：3 CH4 + 2(HBNH)3 + 6 H2O = 3 CO2 + 6 H3BNH3
【反思点评】
“猜谜式”信息推断题的答案经常出乎意料，而用已有模式来套常常反而得不出结果，这道试题也不例外。这就考察了选手的创造性思维水平。平时“猜谜”得出的谜底往往是猜谜人已有的知识，一旦得出，感觉很自信；而科学谜语题的结论，却是大多数选手未知的知识，所以，即便得出结果，也会觉得难以把握（当然，也不排除个别学习主动、肯钻研的选手已经具备了该知识）。本题最终得出的A结构H3B:NH3 就是陌生的，由于得出的结论是新知识，所以对选手创造性思维的要求就特别高。此题的妙趣在于在猜测各物质的过程中，一直把“等电子体的理解和判断”贯彻始终，这就要求解题时，一开始思索就要形成自己的逻辑顺序，不要随意改动，以免陷入困境，当然，在思索过程中应当注意左右逢源。这样的题目最能充分考察选手良好的思维品质——逻辑性、广阔性、灵活性、流畅性、精确性和深刻性，等等。
例题3.（2006年全国初赛，7）化合物A是近十年开始采用的锅炉水添加剂。A的相对分子质量90.10，可形成无色晶体，能除去锅炉水中溶解氧，并可使锅炉壁钝化。
7-1. A是用碳酸二甲酯和一水合肼在70oC下合成的，收率80%。画出A的结构式。
7-2. 写出合成A的反应方程式。
7-3. 低于135oC时，A直接与溶解氧反应，生成三种产物。写出化学方程式。
7-4. 高于135oC时，A先发生水解，水解产物再与氧反应。写出化学方程式。
7-5. 化合物A能使锅炉壁钝化是基于它能将氧化铁转化为致密的四氧化三铁。写出化学方程式。
7-6. 化合物A 与许多金属离子形成八面体配合物，例如 [Mn(A)3]2+。结构分析证实该配合物中的A和游离态的A相比，分子中原本等长的两个键不再等长。画出这种配合物的结构简图（氢原子不需画出），讨论异构现象。
【思路探究】
整个试题围绕着A是什么物质作了很多文章，所以解题的关键是突破A的结构式。对于A的信息也较多，故可把A的有关信息用如下草图的形式呈现出来：
从图中提供的信息可知：“70oC下，碳酸二甲酯（O=C(OCH3)2 ）和一水合肼（H2NNH2·H2O ）→A ” 。可以类比酯的水解，生成A 的反应相当于酯的氨解（可理解为加“氨”，这考察了应选手对氨与水的类似性的把握与否，能否将酯水解的知识“迁移”于氨解），A 的结构就相当于酰胺类化合物，这是此题关键性的一步，至于具体的一分子碳酸二甲酯（O=C(OCH3)2 ）和几分子一水合肼（H2NNH2·H2O ）反应，结构如何？可以通过“A的相对分子质量90.10”来确定。在化学性质上，A具有还原性，可以直接与溶解氧反应，也可以先发生水解，重新得到N2H4和CO2 ，N2H4再与氧反应。至于A可以与许多金属离子形成八面体配合物（[Mn(A)3]2+ ），是因为A中N 、O原子可以提供孤对电子 ，属于多齿配体，再结合信息“配合物中的A和游离态 的A相比，分子中原本等长的两个键不再等长” ，显然不是A中对称的两个N原子同时与Mn2＋成键。对于形成八面体配合物的异构现象我们可以从几何异构和光学异构两方面去讨论。
【试题解答】
7-1
（注：C-N-N角必须不是直线，否则不得分。）
7-2 O=C(OCH3)2 + 2H2NNH2·H2O = O=C(NHNH2)2 + 2CH3OH + 2H2O
7-3 (N2H 3)2CO + 2O2 = 2N2 + CO2 +3H2O
7-4 (N2H 3)2CO + H2O = 2N2H4 + CO2 N2H4 + O2 = N2 + 2H2O
7-5 (N2H 3)2CO + 12Fe2O3 = 8Fe3O4 + 2N2 + CO2 + 3H2O
7-6 配合物结构简图：（如图所示）
它有一对经式、面式异构体（几何异构体）(此点得一半分） ，它们分别有一对对映异构体（手性异构体）（此点得一半分） （画不画异构体的结构不影响得分）。
【反思点评】
从整体来看，本题问题取材于生产生活实际，涉及的化学概念主要有亲核加成---消去反应（中学有机化学知识向大学有机的延伸）、氧化还原反应（元素化合价的变化规则、物料守恒、反应条件等等）、配合物的相关知识等等，分属于有机化学、电化学和物质结构三大领域，非常综合。在解答的过程中，如果不能够正确的联想到氨解这一反应类型，就很难进行下去。在7-1、7-2 中，选手有可能认为是一个肼分子上的两个氮原子同时进攻酯的羰基或者只有一个肼分子参与了反应，那样的话，产物的相对分子量是与90.10相违背的。在7-3中，O2作氧化剂是无疑的，还原元素的判断（即O=C(NHNH2)2中哪种元素失去了电子）容易误入歧途，方程式的书写（利用化合价）也存在玄机（注意配平细节问题）。在7-6中涉及的知识（配合物）是对中学化学知识基础的“拔高”考查，在得出A结构后，发现可用于配位的含孤对电子的原子（包括O 原子）竟达5处，如何选择呢？结合配位理论和“原本等长的两个键不再等长”便可做出正确的判断。最后， 配合物A结构的画出，编题人显然是在考察选手空间感受能力的强弱。
本题较好地考察了选手良好的心理素质和良好的思维品质，敏锐的洞察力，丰富的联想力和想象力，灵活的类比推理能力；试题具有很好的探究性和创新性，充分体现了命题人的独具匠心。
例题4.（99年全国初赛，3）铬的化学丰富多采，实验结果常出人意料。将过量30%H2O2加入(NH4)2CrO4的氨水溶液, 热至50℃后冷至0℃，析出暗棕红色晶体A。元素分析报告：A含Cr 31.1%，N 25.1%，H 5.4%。在极性溶剂中A不导电。红外图谱证实A 有N－H键，且与游离氨分子键能相差不太大，还证实A 中的铬原子周围有7个配位原子提供孤对电子与铬原子形成配位键，呈五角双锥构型。
3-1．以上信息表明A的化学式为： ；可能的结构式为： 。
3-2．A中铬的氧化数为： 。
3-3．预期A 最特征的化学性质为： 。
3-4．生成晶体A的反应是氧化还原反应，方程式是： 。
【思路探究】
此题是利用已经形成的但一般教科书未涉及的知识编制而成的探究性试题。此题信息很多，为了理清题给信息之间的相互关系，最好的方法就是根据题意制作一张信息关系草图（如下图）。
下面只是一例（制作什么样的图并无模式可循，因人思维特征不同而异，图也不一定在纸上画出来，在脑中构建也一样可以）
从图中可以判断出物质A只可能是含2个过氧基团的铬(IV)配合物。因为过氧基团可以从过氧化氢中转移过来，有来源（如果此题没有A的生成反应的信息，也可以假设配合物里又可能存在H2N—NH2，同时也有—OH的配体，但生成反应排除了这种可能）；同时也排除1个过氧基团或者没有过氧基团的可能，因为生成反应是氧化还原反应，在K2CrO4中铬的价态（或说氧化态）已经达到最高价，只能发生还原反应，铬的价态必低于＋6，因此A是唯一的。
【试题解答】
3-1．A 的化学式Cr(NH3)3O4 或CrN3H9O4（写成其他形式也可以）
A 的可能结构式如下图：
1式和/或2式均得满分，但无2个过氧键O—O者不得分。
（注：还可画出其他结构式，但本题强调的是结构中有2个过氧键，并不要求判断它们在结构中的正确位置。）
3-2．A中铬的氧化数为＋4
3-3．氧化还原性（或易分解或不稳定等类似表述均得满分）
3-4．化学方程式CrO42－＋3NH3＋3H2O2＝Cr(NH3)3(O2)2＋O2＋2H2O＋2OH－
【反思点评】
此题重在知识的形成过程。当然，作为试题，并未给出实际科学研究获得的全部信息，例如红外图谱中肯定同时显示了A中有过氧键，却被命题人略去了，否则会降低试题的智力测试水平。 可以说，此题的知识要求是较多的，但在中学课本里都已涉及,如：选手至少需要有配合物（络合物）的基本概念(中学有Cu(NH3)42+、Ag(NH3)2+、Fe(CN)64－、Fe(SCN)63－等)、过氧化合物的知识(中学有H2O2)、铬的价态及作为氧化剂的知识（中学有重铬酸盐作氧化剂的例子）、氧化数的概念、配价键或者配位键的概念（中学有电子对的给予和接受的实际例子）、电解质的概念、由元素组成求分子量的技能（此题氧原子数需用余量来求，这既符合实际科研信息，又增加了试题难度），等等。由于这些知识基础不超纲，不能说此题对已有知识基础要求太高，试题难是难在这样多的知识要综合在一起，由选手得出一个从未见过的结构式 ，因此此题的智力要求确实比较高，理解力、分析力、综合力、联想力、想象力、创造力都进行了考察。
通过以上几例的分析与讨论，我们不难看出：只用头脑中已有的知识作为套路来解决未知的问题，不善于用大量信息来得出新的知识解决新的问题，这是不合理的，是提高不了能力的。只讲知识，不讲知识是如何形成的；只用知识，不着重训练从综合实际获得知识信息并得出新知识的能力，是培养不出创造性思维来的，更谈不上创造性人才的培养。所以，我们应当在中学的科学课程里加强综合、归纳、创新的训练，只有这样，才能培养出高素质的人才来。
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