“智能变色”情境在高考化学试题考查中的应用-《中学生数理化》高考理化2025年6月刊

■河南省南阳市第一中学校 贾丽娟 情境是实现“价值引领、素养导向、能力 为重、知识为基”的综合考查的载体,考生可 以通过信息引导理解素材所涉及的现实生活 和前沿科学蕴含的知识,从而实现化学学科 育人的基本要求。人们一直在研究和模仿变 色动物(变色龙、变色鸟、枯叶蝶等)的特殊技 能,寻求能随外界环境刺激自动改变颜色的 涂层。2020年全国高考化学乙卷首次以“电 致变色器件可智能调控太阳光透过率,从而 实现节能”为载体,对电解池相关知识点进行 考查;2023年辽宁卷以“光致变色器件”为载 体,对手性碳、同分异构体以及原子的杂化方 式等进行考查;2024年江西卷以“热致变色 器件”为载体,实验情景真实再现,引导教学 注重实验。本文通过分析具体的高考试题案 例,聚焦“智能变色”相关知识的考查方式,旨 在深化读者对该主题的理解,并锻炼其在陌 生情境下分析问题、解决问题的能力。 一、“智能变色”对比 “智能变色”是一些物质具有电致变色、 光致变色或热致变色的性质,这些材料在受 到电流、可见光或紫外光强度、温度改变的刺 激时,在可见光区会出现可逆的色彩变化。 表1对“智能变色”中的电致变色、光致变色 和热致变色进行了对比,通过对比发现这三 类变色现象都具有可逆性,并且和生活息息 相关,只不过引发变色的导火索不同而已。 “智能变色”蕴含着丰富的化学反应原理,可 以为高考命题人提供丰富的情境素材,考查 方式也多种多样。 表1 定义 变色材料 应用领域 电致变色 材料的光学属性(反射率、透 过率、吸收率等)在外加电场的作 用下发生稳定、可逆的颜色变化现 象,在外观上表现为颜色和透明度 的可逆变化 1.无机电致变色材料多集中在ⅦB和Ⅷ族 (阳极着色材料)、ⅣB~ⅥB族(阴极着色材料) 2.有机电致变色材料分为三类:①有机小分 子如紫精类化合物、普鲁士蓝等;②聚吡咯、聚噻 吩及聚苯胺的衍生物;③金属有机螯合物 建筑窗、飞机舷窗、汽车 天幕和自动防眩目后视镜、手 机后盖、AR眼镜等 光致变色 光致变色物在受到一定波长 光照时,通过特定的化学反应生成 结构和光谱性能不同的物质,当受 到另一波长光照射或加热条件时, 又恢复到原来的结构,这一过程中 伴随着颜色的可逆变化 1.无机光致变色材料,如过渡金属氧化物 (WO3、MoO3、TiO2等)、多金属氧酸盐、金属叠 氮化物、金属卤化物(碘化钙和碘化汞混合体、氯 化铜、氯化银等)和稀土配合物 2.有机光致变色材料,如螺吡喃、六苯基双 咪唑、水杨醛缩苯胺类化合物等 军事隐身,如飞机、军舰、 坦克、装甲车等表面涂敷或掺 杂光致变色材料,通过变色使 其与周围的环境保持一致,从 而达到隐身目的 热致变色 某些物质的颜色随温度变化 而发生改变的现象,属可逆化学变 化 1.热致变色无机材料,如碘化物、配合物、 有机金属化合物等,变色温度大多在100 ℃以 上 2.热致变色有机材料,如荧光类衍生物、 液晶类材料等,变色温度较宽,颜色变化丰富 变色瓷釉、防伪材料等。 随着新型热致变色材料的开 发,其应用也逐步扩展到传感 器等高新科技领域 42 解题篇 创新题追根溯源 高考理化 2025年6月 二、典型例题赏析 例 1 电致变色器件可智能调控太阳光 透过率,从而实现节能。图1是某电致变色器 件的示意图。当通电时,Ag+注入到无色 WO3 薄膜中,生成AgxWO3,器件呈现蓝色,对于该 变化过程,下列叙述错误的是( )。 图1 A.Ag为阳极 B.Ag+由银电极向变色层迁移 C.W 元素的化合价升高 D.总反应为 WO3+xAg􀪅􀪅AgxWO3 解析:此题以电致变色器件为载体,考查 电解池中电极判断、电解质中离子移动方向、 元素化合价变化的判断和电池总反应的书 写。从题干可知,当通电时,Ag+注入到无色 WO3 薄膜中,生成 AgxWO3 器件呈现蓝色, 说明通电时,Ag电极有Ag+生成,然后经固 体电解质进入电致变色层,Ag电极为阳极, 透明导电层为阴极,故 Ag电极上发生氧化 反应,电致变色层发生还原反应。因此,据题 意分析得:通电时,阳离子向阴极移动,由 Ag+注入到无色的 WO3 薄膜中,可知在该变 色器件中,Ag作阳极,通电后 Ag失去电子 转化为Ag+,通过固体电解质向变色层迁移, 故A、B项正确。透明导电层为阴极,在阴极 处 WO3 得到电子转化为 WOx-3 ,W 由 WO3 的+6价降低到AgxWO3 中的+(6-x)价, 故C项错误。该电解池中阳极上发生的电极 反应为xAg-xe-􀪅􀪅xAg+,阴极上发生的 电 极 反 应 为 WO3 +xAg+ +xe- 􀪅􀪅 AgxWO3,总 反 应 式 为 xAg+ WO3 􀪅􀪅 AgxWO3,故D项正确。 答案:C 跟踪练习1:电致变色材料在飞机的舷 窗和智能太阳镜等方面具有广泛应用。一种 新一代集电致变色功能和储能功能于一体的 电子器件的工作原理如图2所示,放电时该 器件的透光率逐渐增强。下列说法错误的 是( )。 图2 A.放电时,Li+移向a极 B.充电时,b极接外电源的负极 C.充 电 时,a 极 的 电 极 反 应 式 为 LiFePO4-e-􀪅􀪅FePO4+Li+ D.放 电 时,b 极 的 电 极 反 应 式 为 Li4Ti5O12+3Li++3e-􀪅􀪅Li7Ti5O12 答案:D 例 2 在光照下,螺吡喃发生开、闭环 转换而变色,过程如下。下列关于开、闭环螺 吡喃说法正确的是( )。 A.均有手性碳原子 B.互为同分异构体 C.N原子杂化方式相同 D.闭环螺吡喃亲水性更好 解析:题目以“光致变色器件”为载体,对 手性碳、同分异构体以及原子的杂化方式等 进行考查。由题意知,手性碳是连有四个不 同的原子或原子团的碳原子,闭环螺吡喃含 有一个手性碳原子( ),开环螺 吡喃不含手性碳原子,A项错误。根据它们 的结构简式,分子式均为C19H19NO,它们结 构不同,因此互为同分异构体,B项正确。闭 环螺吡喃中 N原子杂化方式为sp3,开环螺 吡喃中N原子杂化方式为sp2,C项错误。开 环螺吡喃中氧原子带负电荷,氮原子带正电 荷,极性强,水溶性增大,因此开环螺吡喃亲 水性更好,D项错误。 答案:B 例 3 一种可用于温度传感的红色配 52 解题篇 创新题追根溯源 高考理化 2025年6月 合物Z,其制备实验步骤及传感原理如下(反 应物均按化学计量数之比进行投料)。 Ⅰ.将Ni(NO3)2·6H2O和去离子水加 入圆底烧瓶中,搅拌至完全溶解,再依次加入 乙酰丙酮(HY)、无水Na2CO3 和N,N,N'-三甲 基乙二胺(X)溶液,继续搅拌5 min。 Ⅱ.加入NaB(C6H5)4 溶液,立即生成红 色沉淀,室温下继续反应35 min。 Ⅲ.减压过滤,用去离子水洗涤3次,烘 干,重结晶,得到配合物Z。 Ⅳ.室温下,将适量Z溶于丙酮(L),温 度降至15 ℃,溶液经混合色逐渐转为蓝绿 色,得到配合物 W的溶液。回答下列问题: 利用上述配合物的变色原理(温差约 10 ℃时,颜色有明显变化),设计一种实用温 度传感装置: 。 解析:根据题意知,红色配合物Z的制备 实验步骤及传感原理:将Ni(NO3)2·6H2O和 去离子水加入圆底烧瓶中,搅拌至完全溶解, 再依次加入乙酰丙酮(HY)、无水Na2CO3 和 N,N,N'-三甲基乙二胺(X)溶液,继续搅拌 5 min,加入Na2CO3 的目的是中和X与 HY 反应生成的 H+,使平衡正向移动,有利于Z 的生成,加入NaB(C6H5)4 溶液,立即生成红 色沉淀,室温下继续反应35 min,再经过减 压过滤、洗涤、干燥得到配合物Z。利用上述 配合物的变色原理(温差约10 ℃时,颜色有 明显变化),设计一种实用温度传感装置,该 装置可以是具有温度指示功能的水杯,水杯 外壁涂有配位化合物 W(含少量丙酮)并以 透明材料密封,并附有比色卡,水温可通过所 示颜色与比色卡比较,大致判断是否适合饮 用。 答案:具有温度指示功能的水杯,水杯外 壁涂有配位化合物 W(含少量丙酮)并以透 明材料密封,附上比色卡,水温可通过所示颜 色与比色卡比较,大致判断是否适合饮用 跟踪练习2:如图3所示,Cu(Ⅱ)配合物 A和B可发生配位构型的转变,该转变可带 来颜色的变化,因此可用作热致变色材料,在 温度传感器、变色涂料等领域应用广泛。 图3 (1)A中氢原子与其他原子之间存在的 作用力类型有 。 (2)已知:如图4所示,当Cu(Ⅱ)配合物 A和B配位构型由八面体转变为四方平面 时,配合物颜色会发生变化,现要实现这一变 化,需要进行的简单操作为 。 图4 答案:(1)极性键、氢键 (2)降低温度 近年来,高考更加重视将情境作为连接 考查内容与要求的桥梁,其中,“智能变色”因 其与日常生活的紧密联系,频繁成为化学科 目的情境命题热点。这些情境题不仅贴近生 活,而且深刻体现了知识应用与素养培育的 目标。面对这类试题,首要的是培养从情境 中高效提取关键信息的能力。当直接由情境 联想到具体知识点的路径显得模糊或难以构 建时,建议采取逆向思维策略:先基于题目背 景和设问,合理推测可能涉及的核心知识点 或学科核心理念,随后再以此为基础,细致分 析情境,谨慎验证假设,从而有效搭建起情境 信息与学科知识间的桥梁。 (责任编辑 谢启刚) 62 解题篇 创新题追根溯源 高考理化 2025年6月