假设法在高中化学计算题中的应用

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  假设法是将未知的问题根据已知条件进行理想化的假设,最终求得问题答案的一种解题方法。巧妙的应用假设法解题,可以将抽象的问题具体化、复杂的问题简单化。一个问题可以使用假设法的解题的关键是,题目中给出一定前提条件,但是又没有给出具体的数据,所以假设法又是一种特殊的解题方法。常见的假设法包括极端假设法、赋值假设法、过程假设法等。
  一、应用赋值假设法,求解平衡转化率
  赋值假设法是指,当化学题的题干没有给定明确数据时,应用常规办法解题会比较难,如果给某一化学量赋予一个定值,比如对某化学物质的量或者物质的分子数赋值,会将比较抽象的问题变得比较具体,从而更加高效的解决这类题目的一种假设解题方法。
  例1 现有三种气体分别为X、Y、Z,将X、Y两种气体,按物质的量比1∶1混合,置于一个封闭的容器内,二者发生的化学反应为:X+2Y2Z,当反应达到平衡时,容器内反应物的总物质的量和生成物的总物质的量之比为3∶2,那么Y的转化率约为( )。
  A.66% B.50% C.40% D.33%
  分析 本题中,出题者并没有给出确定的数据,若采用一般的解题方法会让学生感觉到一头雾水,不知道如何下手。经细细分析题目发现,题目中给出不少的比例关系,而且化学方程式中物质Y、Z的系数均为2,所以,采用赋值假设法会使得本题较容易解决。
  解 假设当反应平衡时,生成的物质Z的
  物质的量为2 mol,那么,物质Y转化的物质的量也是2 mol,X转化的物质的量为1 mol,所以,反应物转化的总的
  物质的量为3 mol。又由于当反应达到平衡时,容器内反应物的总物质的量和生成物的总摩尔质量之比为3∶2,生成物的物质的量为2 mol,所以剩余的反应物的物质的量为3 mol。所以,反应初始时,容器内反应物的总物质的量为6 mol,而初始的X、Y的物质的量比为1∶1,可知Y的
  物质的量为3 mol,所以Y的转化率为:2 mol3 mol×100%=67%。答案为A。
  评注 在运用赋值假设法时需注意,赋值的大小需要根据题目的具体情况来定。在一般情况下,最终的计算结果和赋值的大小没有关系。
  二、应用极端假设法,求解物质取值范围
  极端假设法和数学上的极值思想如出一辙,也是将某一化学量假设为一种比较极端的状态,从这个极端状态的两头去分析,求得一个确定的区间,然后根据这个区间去分析判断,最终求得正确结果。极端假设法可以将问题化难为易,最终使得解题效果事半功倍。
  例2 在一定条件下,以下反应达到化学平衡状态:Ag+4Bg2Cg+Dg。此时A、B、C的物质的量都是a mol,而D的物质的量是d mol,现在改变a的取值和反应条件,使得该反应重新达到平衡,并使得平衡时D的物质量在d/2~2d之间,那么a的范围是(用含有a、d的式子表示)。
  分析 本题是一道可逆化学反应题目,由于可逆反应中的正、逆反应均不可能进行彻底,所以,在分析这类题目中某物质的摩尔质量时,需要将反应假设成可以进行彻底的反应,只有这样才可以快速求得答案。
  解 假设反应可以正向进行彻底,那么D在新的化学平衡下的摩尔质量为2d mol,关系如下:
  此时,要求a-d>0,即a>d,综合考虑,a的取值范围是a>4d。
  评注 经过分析本题可以发现,本题存在两个极端情况,其一就是反应可以朝正向进行到底,此时可以求得一个a的范围,其二,反应朝着逆反应进行彻底,又可以求得一个a的范围,综合二者范围便可求得答案。
  三、应用变异极端假设,求解质量分数题
  极端假设在化学计算中的应用较多,步骤也较固定,在实际解题时,有些题目很明显需要应用极端假设法解题,但是有的题目从表面不能看出假设法的使用,但其本质上是假设法的一种变异使用形式。所以学生在解题过程需要融会贯通,活学活用。
  例3 某混合樣品中含有KCl、NaCl、Na2CO3,经过分析后可知Na元素的含量为31.5%,Cl元素的含量为27.08%(质量分数)。那么混合样品中Na2CO3的含量为( )。
  A.25% B.50% C.80% D.无法确定
  分析 首先,由于混合物中含有Na元素的化学物质有两种,含有Cl元素的化学物质也有两种,而题目给定的Na、Cl的质量分数是混合物中总的质量分数,所以这使得题目变的比较复杂。采用常规解题方法,学生会无处下手,这时使用变异极端假设法便可以很快的解答本题。
  解 采用变异极端假设法需将题目分为三种情况来解:第一种,假设混合物只有KCl和Na2CO3组成,用wNa求得Na2CO3的质量分数为72.6%;第二种,假设混合物只有NaCl和Na2CO3组成,用wCl求得Na2CO3的质量分数为55.4%;第三种,假设混合物只有KCl和Na2CO3,用wCl求得Na2CO3的质量分数为43.2%。很明显最终的Na2CO3的质量分数应小于第一种假设的取值,对于第二、三种情况,由于KCl的相对分子质量比NaCl的大,所以Na2CO3的质量分数应小于第二种情况,大于第三种。所以最终取值范围在55.4%~43.2%之间。答案为B。
  评注 本题的解答方法比较灵活,用常规方法也可以进行解答,但是学生理解起来相对比较困难,应用变异假设法解答,学生再理解起来时相对简单。
  四、应用过程假设法,判断转化率是否改变
  在解决化学平衡习题时,当改变原始条件使得平衡被打乱时,学生很难平衡移动的方向,这时使用过程假设法,将其变成等效的状态,就可以使复杂的变化过程变得简单明了,学生再处理起来会比较方便。
  例4 一定温度下,2Ag+Bg
  2Cg反应在一密闭容器中达到平衡(此容器的体积可变),此时
  A、B、C的物质的量分别为4 mol、2 mol、4 mol。保证温度、压强均不变,若对平衡时三者的物质的量进行如下调整,那么A的转化率下降的是( )。
  A.均加倍 B.均减半
  C.均增加1 molD.均减少1 mol
  分析 当反应达到平衡时,改变三者的物质的量势必会打乱化学平衡状态,当三者的物质的量同时加倍或者同时减半时,三者的浓度并不会发生变化,因此平衡不会移动,那么A的转化率也不会变化,但是对于C、D选项就需要用过程假设法分析了。
  解 当三者均增加1 mol时,A、B、C的
  物质的量分别为5 mol、3 mol、5 mol,此时对于平衡的移动较难判断,若假设三者的初始物质的量分别为5 mol、2.5 mol、5 mol,此时状态和原平衡状态等效,这时再加入0.5 mol B,平衡向右移动,所以A的转化率增加;同理,当三者均减少1 mol时,A、B、C的物质的量分别为3 mol、1 mol、3 mol,这时可以假设三者的初始物质的量分别为3 mol、1.5 mol、3 mol,当化学反应平衡时,使B的物质的量减少0.5 mol,这时,平衡向左移动,A的转化率下降。答案为D。
  评注 过程假设在解决高中化学平衡中的等效平衡题目时非常有效,它将复杂的变化过程等效为几个便于分析的简单过程,然后根据等效原理进行分析,进而求得答案。
  综上所述,假设法是解决高中化学计算问题的简便方法之一,教师需要结合有关例题,有意识地渗透在日常教学中,这样可以达到化繁为简的目的,更重要的是学生独立解题能力得到了不断地提高,使得学生受益终身。
  (收稿日期:2017-04-20)
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