淺談高中化學解題中守恒法的有效運用

毛寬云

一、高中化學解題中的守恒法

化學反應的實質(zhì)是原子間重新組合，依據(jù)質(zhì)量守恒定律在化學反應中存在一系列守恒現(xiàn)象，如：質(zhì)量守恒、原子守恒、電荷守恒、化學價守恒等，利用這些守恒關(guān)系解題的方法叫做守恒法。它的優(yōu)點是用宏觀的統(tǒng)攬全局的方式列式，不去探求某些細微末節(jié)，直接抓住其中的特有守恒關(guān)系，快速建立計算式，巧妙地解答題目。

高中化學涉及到化學計算的題目非常多，守恒法是一種高中化學典型的解題方法。它利用物質(zhì)變化過程中某一特定的量固定不變來列式求解，可以免去一些復雜的數(shù)學計算，大大簡化解題過程，提高解題速度和正確率。通俗地說，就是抓住一個在變化過程中始終不變的特征量來解決問題。目的是簡化步驟，方便計算。

二、高中化學解題中守恒法的有效運用

1.質(zhì)量守恒法

化學反應的實質(zhì)是原子間重新結(jié)合，質(zhì)量守恒就是化學反應前后各物質(zhì)的質(zhì)量總和不變，在配制或稀釋溶液或濃縮溶液過程中，溶質(zhì)的質(zhì)量不變。其主要包括：反應物總質(zhì)量與生成物總質(zhì)量守恒；反應中某元素的質(zhì)量守恒；結(jié)晶過程中溶質(zhì)總質(zhì)量守恒；可逆反應中反應過程總質(zhì)量守恒。利用質(zhì)量守恒關(guān)系解題的方法叫做“質(zhì)量守恒法”。

比如，利用化學反應過程中的質(zhì)量守恒關(guān)系解化學計算題。

例1 鐵有可變化合價，將14.4 g FeC2O4（草酸亞鐵）隔絕空氣加熱使之分解，最終可得到7.6 g鐵的氧化物，則該鐵的氧化物組成可能為（ ）。

A.FeO B.Fe3O4 C.FeO·Fe3O4 D.Fe2O3

解析 已知Fe、C、O的相對原子質(zhì)量分別為56、12、16，F(xiàn)eC2O4中含鐵元素的質(zhì)量：

m（Fe）=14.4 g×5656+12×2+16×4=5.6 g

將FeC2O4隔絕空氣加熱，。在加熱過程中，鐵元素沒有損耗，鐵元素的質(zhì)量是不變的。由“質(zhì)量守恒法”可得：所得氧化物中m（Fe）仍為5.6 g，則m（O）=7.6 g-5.6 g=2.0 g。

依據(jù)物質(zhì)的量（n）與質(zhì)量（m）、摩爾質(zhì)量（M）之間公式n=mM，又據(jù)

n1n2=N1N2（N1、N2代表微粒個數(shù)）

則n（Fe）n（O）=m（Fe）M（Fe）

m（O）M（O）=5.6 g56 g/mol2.0 g16 g/mol=45，答案為C。

再如，利用稀釋前后溶質(zhì)的質(zhì)量守恒關(guān)系解化學計算題。

例2 用98%（密度為1.84 g/cm3）的濃H2SO4配制200 g 20%的稀H2SO4，需這種濃度的濃H2SO4 （ ）。

A.40.8 g B.40.8 mL C.22.2 mL D.20 mL

解析 在由濃溶液稀釋而配制溶液的過程中，H2SO4溶質(zhì)的質(zhì)量是不變的，設(shè)濃H2SO4的體積為V，依據(jù)ρ=mV公式，由質(zhì)量守恒定律列出

H2SO4質(zhì)量守恒的式子：

V1×1.84 g/cm3×98%=200 g×20%

解得V1=22.18 mL≈22.2 mL

需這種濃度的濃H2SO4的質(zhì)量：m=ρV=1.84 g/cm3×22.18 mL=40.8 g，答案為A、C。

2.原子守恒法

原子守恒即反應前后各元素種類不變，各元素原子個數(shù)不變，其物質(zhì)的量、質(zhì)量也不變。原子守恒法是依據(jù)反應前后原子的種類及個數(shù)都不變的原理，進行推導或者計算的方法。用這種方法計算不需要化學方程式，只需要找到起始和終止反應時離子的對應關(guān)系，即可通過簡單的守恒關(guān)系，計算出所需結(jié)果。

例3 在氧氣中灼燒0.44 g由硫、鐵組成的化合物，使其中的硫經(jīng)過一系列變化最終全部轉(zhuǎn)化為硫酸，用20 mL 0.5 mol/L的燒堿溶液恰好能完全中和這些硫酸。則原化合物中硫的質(zhì)量分數(shù)約為（ ）。

A.36.4% B.46.2% C.53.1% D.22.8%

解析 利用原子守恒法解答，依題意分析，S元素經(jīng)過一系列變化，最后變成了H2SO4，H2SO4再與NaOH發(fā)生中和反應，根據(jù)S、Na的原子守恒關(guān)系：

S——H2SO4——Na2SO4——2NaOH

得出：S——2NaOH

32 g2 mol

m（S）20×10-3 L×0.5 mol/L=0.01 mol

列比例式求得：m（S）=0.16 g

則原化合物中S的質(zhì)量分數(shù)w=m（S）m（樣品）×100%=0.16 g0.44 g×100%=36.4%

，答案為A。

例4 現(xiàn)有19.7 g由Fe、FeO、Al、Al2O3組成的混合物，將它完全溶解在540 mL

2.00 mol·L-1的H2SO4溶液中，收集到標準狀況下的氣體8.96 L。已知混合物中，F(xiàn)e、FeO、Al、Al2O3的質(zhì)量分數(shù)分別為0.284、0.183、0.274和0.259。欲使溶液中的金屬陽離子完全轉(zhuǎn)化為氫氧化物沉淀，至少應加入2.70 mol·L-1的NaOH（aq）體積是。

解析 當溶液中金屬離子完全轉(zhuǎn)化為氫氧化物沉淀時，溶液的溶質(zhì)為Na2SO4。根據(jù) Na 原子守恒和 SO2-4守恒得如下關(guān)系：

2NaOH ～ Na2SO4～ H2SO4

則：n（NaOH）=2n（H2SO4）

c（NaOH）·V[NaOH（aq）]

=2c（H2SO4）·V[H2SO4（aq）]

V[NaOH（aq）]可求。答案：800 mL

3.電荷守恒法

電荷守恒，即對任一電中性的體系，如化合物、混合物、濁液等，電荷的代數(shù)和為0，即正電荷總數(shù)和負電荷總數(shù)相等。電荷守恒法解題的依據(jù)：電解質(zhì)溶液中，不論存在多少種離子，溶液都是呈電中性的，即陰離子所帶的電荷數(shù)與陽離子所帶的電荷數(shù)是相等的；電荷守恒法解題時的計算公式：∑mc（Rm+）=∑nc（Rn-），此公式中∑代表“和”的意思，c（Rm+）代表陽離子的濃度或物質(zhì)的量或微粒個數(shù)，m代表代表陽離子所帶電荷數(shù)，c（Rn-） 代表陰離子的濃度或物質(zhì)的量或微粒個數(shù)，n代表代表陰離子所帶電荷數(shù)。這種解題方法常用于溶液中離子濃度關(guān)系的推斷，也可用此原理列等式進行有關(guān)反應中某些兩的計算。

比如，利用電荷守恒法可巧解有關(guān)電解質(zhì)溶液中離子濃度的計算題。

例5 由硫酸鉀、硫酸鋁和硫酸組成的混合溶液，其pH=1，c（Al3+）=0.4 mol/L，c（SO42-）=0.8 mol/L，則c（K+）為（ ）。

A. 0.15 mol/L B. 0.2 mol/LC. 0.3 mol/L D. 0.4 mol/L

解析 巧用電荷守恒式：三種物質(zhì)組成的混合溶液中共存在5種離子，它們分別是：H+、Al3+、K+、SO2-4、OH -，電荷守恒式如下：c（K+）+c（H+）+3c（Al3+）=c（OH-）+2c（SO2-4），溶液的pH=1，可

知溶液中c（H+）=10-1 mol·L-1，由水的離子積Kw的計算公式Kw=c（H+）·c（OH-），在25℃（常溫）時，Kw= 1.0×10-14 得知c（OH-） =10-13 mol·L-1，由于OH-的濃度極小，計算時可忽略不計，將c（H+）=10-1 mol·L-1，c（Al3+）=0.4 mol/L，c（SO42-）=0.8 mol·L-1代入電荷守恒式：c（K+）+c（H+）+3c（Al3+）=c（OH-）+2c（SO2-4）中，則不難得出 c（K+）為0.3 mol·L-1，即答案為C。

再如，利用電荷守恒法可巧解比較溶液中離子濃度大小的化學題。

例6 常溫下，將甲酸（HCOOH）與NaOH溶液混合，所得溶液的pH=7，則此溶液中（ ）。

A. c（HCOO-）>c（Na+）

B. c（HCOO-）

C. c（HCOO-）=c（Na+）

D. 無法確定c（HCOO-）和c（Na+）的大小關(guān)系

解析 用電荷守恒法進行分析，混合后溶液中所存在的離子共有HCOO-、Na+、H+、OH- 四種，根據(jù)電荷守恒法可得出c（Na+）+c（H+）=c（HCOO-）+c（OH-） ， 由于溶液的pH=7，溶液呈中性，則有c（H+）=c（OH-），進而可推出

c（Na+）=c（HCOO-）。答案為C。

4.電子守恒法

電子守恒的關(guān)系原理為：氧化還原反應中氧化劑得電子總數(shù)=還原劑失電子總數(shù)。電子守恒法通常用于求化合價、求物質(zhì)的量、配平、求質(zhì)量、電極反應等化學問題中，應用較為廣泛。

比如，可以用于求物質(zhì)的量。

例7 往100 mL溴化亞鐵溶液中緩慢通入2.24 L（標準狀況）氯氣，反應完成后溶液中有13的溴離子被氧化成溴單質(zhì)。求原溴化亞鐵溶液的物質(zhì)的量濃度。

解析 用電子守恒法進行分析，由提示知，還原性：Fe2+>Br-，Br-已部分被氧化，故Fe2+已全部被氧化。

設(shè)原FeBr2的物質(zhì)的量濃度為x，根據(jù)電子守恒原則，得：

（x+2x×13 ）×0.1 L×1

=2×2.24 L22.4 L·mol-1

x=1.2 mol·L-1

綜上所述，高中化學教師應當結(jié)合教學內(nèi)容，引導學生靈活運用守恒法，并將其應用到化學題的解題實踐中。這樣不僅能夠真正提高學生的學習效率，還能培養(yǎng)學生的靈活思維能力，培養(yǎng)學生的化學綜合水平。