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近几年来高考理综试题中关于《守恒法》的大型化学计算题已不多见,但涉及《守恒法》的化学计算,在选择题、填空题中却不少见。笔者就几种《守恒法》在化学计算中的应用谈几点个人的看法。
《守恒法》实际上就是整体思维在化学计算中的应用。它将研究的对象作为一个整体,找出化学反应在变化前后保持不变的量或在变化过程中的等量关系,从而把复杂的计算过程化繁为简、化难为易,达到快速解题的目的。在化学计算中常用的《守恒法》有质量守恒、电子守恒、电荷守恒以及电解质溶液中存在的质子守恒、物料守恒等等。
一、质量守恒
化学反应的实质为原子或原子团的重新组合,但在化学反应前后物质的总质量保持不变。
例1:向碘化钾溶液加入硝酸银溶液,直到完全反应为止,结果反应后溶液的质量恰好等于反应前碘化钾溶液的质量,求加入硝酸银溶液的质量分数。
解析:AgNO3+KI=AgI↓+KNO3
根据质量守恒,则有:
m(AgNO3,ag)m(KI,ag)=m(AgI)+m(KNO3,ag)
又∵已知反应后溶液的质量等于反应前KI溶液质量,即m(AgNO3,ag)= m(AgI)
∴ω(AgNO3)=×100%=×100%=72.34%
例2:150℃时,一定量的(NH4)2CO3受热完全分解生成气态混合物,该气态混合物的密度为相同条件下H2密度的多少倍?( )
A、96B、48 C、24D、12
解析:(NH4)2CO3Δ2NH3↑+H2O↑+CO2↑,根据反应前后质量守恒,碳酸铵的质量等于混合气体的总质量,则混合气体的平均摩尔质量==24,所以答案为(C)。
二、原子守恒
原子守恒是指在某一系列的化学反应过程前后某元素的原子个数或物质的量保持不变。所以,在这种情况下,用原子守恒解题时只需考虑反应的始态和终态,不需要考虑中间过程。
例1:在空气中长时间露置的某KOH固体,经分析,其中含水7.26%、K2CO32.74%、KOH90%。若将此样品1g加入46.00毫升1mol·L-1的盐酸溶液中,过量的酸再用1.07mol·L-1的KOH溶液中和,蒸发后所得固体的质量为多少克?
解析:此题发生了一系列反应,如果按一般思维去解题非常复杂,但只要仔细分析就不难得出:蒸发后的固体物质仅为KCl,而Cl-均来源于HCl,整个过程中Cl原子守恒。
n(KCl)=n(HCl)=0.046L×1mol·L-1
m(KCl)=0.046 mol×74.5g·mol-1
例2:将KBr、KCl混合物13.4g溶于水配成500ml溶液,并向其中通入过量的Cl2,反应后将溶液蒸干得固体11.175g,则原溶液中K+、Cl-、Br-的物质的量之比是()
A、3:2:1B、1:2:3
C、1:3:2D、2:3:1
解析:此题按常规思维解题计算量非常大,但根据原子守恒:K原子的物质的量等于Cl、Br两种原子物质的量之和,答案中满足条件的只有(A)。
例3:由Fe2O3、CuO组成的混合物32g溶于200毫升硫酸溶液中,然后加入4mol·L-1的NaOH溶液,开始时无沉淀产生,当加入300毫升NaOH溶液时恰好沉淀完全。则H2SO4的浓度为。
解析:此题中涉及的反应也较多,但仔细考虑不难发现题目的关键有两点:
①加入NaOH溶液时开始无沉淀产生,说明开始时硫酸过量,混合物固体全部溶解;
②加入NaOH至沉淀完全,溶液中溶质只有Na2SO4。其中Na+、SO42-守恒:
n(Na2SO4)=n(NaOH)=n(H2SO4)=×0.3L×4mol·L-1=0.6mol
c(H2SO4)==3mol·L-1
三、电子守恒
电子守恒是指氧化还原反应中,氧化剂得电子数等于还原剂失电子数,无论是自发进行的氧化还原反应还是原电池或电解池,都遵循得失电子守恒。
例:用如图甲所示装置进行实验,若图乙中横坐标x表示流入电极的电子物质的量,下列叙述不正确的是()
A、E表示反应生成Cu的物质的量
B、E表示反应消耗H2O的物质的量
C、F表示反应生成的H2SO4的物质的量
D、F表示反应生成O2的物质的量
解析:此题电解时遵循阴、阳两极得失电子守恒。若转移的电子数为4mol,则消耗的Cu2+为2mol、消耗的水为2mol、反应生成的Cu为2mol、生成的O2为1mol、生成的H2SO4为2mol。答案选(C)。
四、电荷守恒
电荷守恒是指在酸、碱、盐溶液中或离子化合物中存在电荷守恒,即溶液中或化合物中阴、阳离子所带的正、负电荷总数相等。
例1:有三种盐的混合溶液中,已知其中含有Na+、Mg2+、Cl-、SO42-四种离子,且前三者物质的量分别为0.2mol、0.25mol、0.4mol,则SO42-的物质的量为多少?
解析:根据溶液中电荷守恒则有:n(Na+)+2n(Mg2+)=n(Cl-)+2n(SO42-)
即:0.2mol+2×0.25mol=0.4mol+2×n(SO42-)
例2:往CH3COOH的溶液中滴加NaOH溶液,当滴至溶液中[Ac-]=[Na+]时,该混合溶液的酸碱性是()
A、酸性B、碱性C、中性D、无法判断
解析:此题的关键在运用电荷守恒:即[Na+]+[H+]=[Ac-]+[OH-]当[Ac-]=[Na+]时,[H+]=[OH-],所以答案选(C)。
例3:M2O7x-与S2-在酸性溶液中发生如下反应:M2O7x-+3S2-+14H+=2M2++3S↓+7H2O,则M2O7x-离子中M的化合价为()
A、+2B、+3C、+5D、+6
解析:此题根据反应方程式两边电荷守恒可知x=4,则该离子中M的化合价为+5。
总之,能用守恒关系解题的题型特别多,如果在解题中能巧用守恒关系,往往事半功倍。此外,还有诸如物料守恒、质子守恒等。因此,我们应在教学中努力使学生掌握好各种守恒关系并能在化学计算中巧妙地运用它们。
注:“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
《守恒法》实际上就是整体思维在化学计算中的应用。它将研究的对象作为一个整体,找出化学反应在变化前后保持不变的量或在变化过程中的等量关系,从而把复杂的计算过程化繁为简、化难为易,达到快速解题的目的。在化学计算中常用的《守恒法》有质量守恒、电子守恒、电荷守恒以及电解质溶液中存在的质子守恒、物料守恒等等。
一、质量守恒
化学反应的实质为原子或原子团的重新组合,但在化学反应前后物质的总质量保持不变。
例1:向碘化钾溶液加入硝酸银溶液,直到完全反应为止,结果反应后溶液的质量恰好等于反应前碘化钾溶液的质量,求加入硝酸银溶液的质量分数。
解析:AgNO3+KI=AgI↓+KNO3
根据质量守恒,则有:
m(AgNO3,ag)m(KI,ag)=m(AgI)+m(KNO3,ag)
又∵已知反应后溶液的质量等于反应前KI溶液质量,即m(AgNO3,ag)= m(AgI)
∴ω(AgNO3)=×100%=×100%=72.34%
例2:150℃时,一定量的(NH4)2CO3受热完全分解生成气态混合物,该气态混合物的密度为相同条件下H2密度的多少倍?( )
A、96B、48 C、24D、12
解析:(NH4)2CO3Δ2NH3↑+H2O↑+CO2↑,根据反应前后质量守恒,碳酸铵的质量等于混合气体的总质量,则混合气体的平均摩尔质量==24,所以答案为(C)。
二、原子守恒
原子守恒是指在某一系列的化学反应过程前后某元素的原子个数或物质的量保持不变。所以,在这种情况下,用原子守恒解题时只需考虑反应的始态和终态,不需要考虑中间过程。
例1:在空气中长时间露置的某KOH固体,经分析,其中含水7.26%、K2CO32.74%、KOH90%。若将此样品1g加入46.00毫升1mol·L-1的盐酸溶液中,过量的酸再用1.07mol·L-1的KOH溶液中和,蒸发后所得固体的质量为多少克?
解析:此题发生了一系列反应,如果按一般思维去解题非常复杂,但只要仔细分析就不难得出:蒸发后的固体物质仅为KCl,而Cl-均来源于HCl,整个过程中Cl原子守恒。
n(KCl)=n(HCl)=0.046L×1mol·L-1
m(KCl)=0.046 mol×74.5g·mol-1
例2:将KBr、KCl混合物13.4g溶于水配成500ml溶液,并向其中通入过量的Cl2,反应后将溶液蒸干得固体11.175g,则原溶液中K+、Cl-、Br-的物质的量之比是()
A、3:2:1B、1:2:3
C、1:3:2D、2:3:1
解析:此题按常规思维解题计算量非常大,但根据原子守恒:K原子的物质的量等于Cl、Br两种原子物质的量之和,答案中满足条件的只有(A)。
例3:由Fe2O3、CuO组成的混合物32g溶于200毫升硫酸溶液中,然后加入4mol·L-1的NaOH溶液,开始时无沉淀产生,当加入300毫升NaOH溶液时恰好沉淀完全。则H2SO4的浓度为。
解析:此题中涉及的反应也较多,但仔细考虑不难发现题目的关键有两点:
①加入NaOH溶液时开始无沉淀产生,说明开始时硫酸过量,混合物固体全部溶解;
②加入NaOH至沉淀完全,溶液中溶质只有Na2SO4。其中Na+、SO42-守恒:
n(Na2SO4)=n(NaOH)=n(H2SO4)=×0.3L×4mol·L-1=0.6mol
c(H2SO4)==3mol·L-1
三、电子守恒
电子守恒是指氧化还原反应中,氧化剂得电子数等于还原剂失电子数,无论是自发进行的氧化还原反应还是原电池或电解池,都遵循得失电子守恒。
例:用如图甲所示装置进行实验,若图乙中横坐标x表示流入电极的电子物质的量,下列叙述不正确的是()
A、E表示反应生成Cu的物质的量
B、E表示反应消耗H2O的物质的量
C、F表示反应生成的H2SO4的物质的量
D、F表示反应生成O2的物质的量
解析:此题电解时遵循阴、阳两极得失电子守恒。若转移的电子数为4mol,则消耗的Cu2+为2mol、消耗的水为2mol、反应生成的Cu为2mol、生成的O2为1mol、生成的H2SO4为2mol。答案选(C)。
四、电荷守恒
电荷守恒是指在酸、碱、盐溶液中或离子化合物中存在电荷守恒,即溶液中或化合物中阴、阳离子所带的正、负电荷总数相等。
例1:有三种盐的混合溶液中,已知其中含有Na+、Mg2+、Cl-、SO42-四种离子,且前三者物质的量分别为0.2mol、0.25mol、0.4mol,则SO42-的物质的量为多少?
解析:根据溶液中电荷守恒则有:n(Na+)+2n(Mg2+)=n(Cl-)+2n(SO42-)
即:0.2mol+2×0.25mol=0.4mol+2×n(SO42-)
例2:往CH3COOH的溶液中滴加NaOH溶液,当滴至溶液中[Ac-]=[Na+]时,该混合溶液的酸碱性是()
A、酸性B、碱性C、中性D、无法判断
解析:此题的关键在运用电荷守恒:即[Na+]+[H+]=[Ac-]+[OH-]当[Ac-]=[Na+]时,[H+]=[OH-],所以答案选(C)。
例3:M2O7x-与S2-在酸性溶液中发生如下反应:M2O7x-+3S2-+14H+=2M2++3S↓+7H2O,则M2O7x-离子中M的化合价为()
A、+2B、+3C、+5D、+6
解析:此题根据反应方程式两边电荷守恒可知x=4,则该离子中M的化合价为+5。
总之,能用守恒关系解题的题型特别多,如果在解题中能巧用守恒关系,往往事半功倍。此外,还有诸如物料守恒、质子守恒等。因此,我们应在教学中努力使学生掌握好各种守恒关系并能在化学计算中巧妙地运用它们。
注:“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”