“守恒法”在解題中的應(yīng)用

芮先華

【摘 要】“守恒法”在中學(xué)化學(xué)解題中的應(yīng)用很廣泛，其中“電荷守恒”原理、“物料守恒”原理、“質(zhì)子守恒”原理的合理使用，能幫助同學(xué)們大大地提高高考解題的能力。

【關(guān)鍵詞】守恒法；電荷守恒；物料守恒；質(zhì)子守恒；巧思妙解

“守恒法”在中學(xué)化學(xué)解題中的應(yīng)用很廣泛，本文從“電荷守恒”原理、“物料守恒”原理、“質(zhì)子守恒”原理三方面進(jìn)行闡述，幫助同學(xué)們提高高考解題能力。

一、“電荷守恒”原理

因?yàn)槿芤罕仨毐３蛛娭行?，所以溶液中所有陽離子電荷的總和必須與所有陰離子電荷的總和相等，常用符號(hào)CBE表示，例如：濃度為c（Na CO ）的Na CO 溶液中電荷守恒式為：

c（Na ）+c（H ）=c（HC ）+2c（CO ）+c（OH ）

例：將鎂條在空氣中燃燒的全部產(chǎn)物（MgO、Mg N ）溶解在50mL濃度為1.8mol.L 的鹽酸中，以20mL0.9mol.L NaOH溶液中和多余的鹽酸，然后向此溶液中加入過量的NaOH溶液把氨全部蒸出來，用足量的鹽酸吸收，經(jīng)測定氨的質(zhì)量為0.102g，計(jì)算鎂條的質(zhì)量。

解析：此題反應(yīng)較多，按常規(guī)解法比較麻煩，若用電荷守恒法則較為簡便。在加入過量NaOH溶液之前，溶液中的溶質(zhì)有NaC1 、 MgCl 、NH Cl，根據(jù)“電荷守恒”原理有：

n（Na ）+2n（Mg ）+n（NH ）=n（Cl ）

其中Na+來源于NaOH，Cl 來源于HCl，而NH 可由氨氣的質(zhì)量求得，

∴n（Mg ）=[0.05L×1.8mol/L-0.02L×0.9mol/L-（0.102g÷17g/mol）]÷2=0.033mol

m（Mg）=m（Mg ）=24g/mol×0.033mol=0.792g

二、“物料守恒”原理

物料守恒是指在平衡狀態(tài)下，某組分的分析濃度（即該組分加入溶液中的總濃度）等于該組分各物種的平衡濃度的總和，常用符號(hào)MBE表示。例如濃度為c（Na CO ）的Na CO 溶液中，組分CO 的平衡式為：

c（Na CO ）=c（H CO ）+c（HCO ）+c（CO ）

例：有Na CO 和NaH CO 的混合物14.8g，把它配成稀溶液，然后向該溶液中加入12.4g堿石灰（CaO、NaOH組成的混合物），充分反應(yīng)后，溶液已檢測不出Ca2+、CO 和HCO ，然后將所得的體系中水份設(shè)法蒸干，得白色固體29g，試求（1）原混合物中Na CO 和NaHCO 各多少克？（2）堿石灰中CaO和NaOH各多少克？（3）所得29g白色固體中各種成分的質(zhì)量是多少？

解析：本題有下列守恒：①反應(yīng)前后CO32-的物質(zhì)的量守恒，即CaCO 中的CO 的物質(zhì)的量等于Na CO 中CO 的物質(zhì)的量與NaHCO 中HCO 的物質(zhì)的量之和。②反應(yīng)前后Ca2+的物質(zhì)的量守恒，即CaO中Ca 的物質(zhì)的量等于CaCO 中Ca 的物質(zhì)的量。③反應(yīng)前后Na 的物質(zhì)的量守恒，設(shè)Na CO 的物質(zhì)的量為x，NaHCO 的物質(zhì)的量為y，堿石灰中NaOH的物質(zhì)的量為z，則根據(jù)上述有關(guān)離子的物質(zhì)的量守恒，有：

106g/mol.x+84g/mol.y=14.8g

56g/mol（x+y）+40g/mol.z=12.4g

100g/mol（x+y）+40g/mol（2x+y+z）=29g

解得：x=0.1moly=0.05molz=0.1mol

∴（1）原混合物中m（Na CO ）=0.1mol×106g/mol=10.6g

m（NaHCO ）=0.05mol×84g/mol=4.2g

（2）堿石灰中m（CaO）=（0.1mol+0.05mol）×56g/mol=8.4g

m（NaOH）=0.1mol×40g/mol=4g

（3）29克白色固體的成分是CaCO 和NaOH

m（CaCO ）=（0.1mol+0.05mol）×100g/mol=15g

m（NaOH）=（2×0.1mol+0.05mol+0.1mol）×40g/mol=14g

三、“質(zhì)子守恒”原理

根據(jù)酸堿質(zhì)子理論，酸堿反應(yīng)的本質(zhì)是質(zhì)子的傳遞，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，酸失去的質(zhì)子和堿得到的質(zhì)子的物質(zhì)的量必然相等。其數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為質(zhì)子守恒式或質(zhì)子條件式，常用符號(hào)PBE表示。

求質(zhì)子條件式的方法有兩種。一種是由物料守恒式和電荷守恒式推導(dǎo)，另一種是直接根據(jù)質(zhì)子得失的關(guān)系給出。首先選擇適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)作為考慮質(zhì)子傳遞的參照物，通常選擇哪些在溶液中大量存在并參與質(zhì)子傳遞的物質(zhì)，如溶劑本身，這些物質(zhì)稱為參照水準(zhǔn)（或零水準(zhǔn)）。然后，從零水準(zhǔn)出發(fā)，根據(jù)得失質(zhì)子的物質(zhì)的量相等的原則，即可寫出質(zhì)子條件式。如濃度為c（Na2HPO4）的溶液中，用第一種方法求解：

物料守恒：c（Na ）=2c

c（H PO ）+c（H PO ）+c（HPO ）+c（PO ）=c

電荷守恒：c（Na ）+c（H ）=c（H PO ）+2c（HPO ）+3c（PO ）+c（OH ）

整理后得質(zhì)子條件式：

c（H ）+c（H PO ）+2c（H PO ）=c（PO ）+c（OH ）

采用第二種方法：選HPO 和H2O為參照水準(zhǔn)

參照水準(zhǔn)物 得質(zhì)子后的產(chǎn)物 失質(zhì)子后的產(chǎn)物

HPO H PO PO

H PO

H O H O OH

得失質(zhì)子的物質(zhì)的量必然相等，故可得：

c（H ）+c（H PO ）+2c（H PO ）=c（PO ）+c（OH ）

在選擇參照水準(zhǔn)時(shí)，不能把共軛酸堿對(duì)中的兩個(gè)組分都選作參照水準(zhǔn)，而只能選擇其中的任何一種，因?yàn)楣曹椝釅A對(duì)互為得（失）質(zhì)子，若同時(shí)選作參照水準(zhǔn)物，其作用互相抵消。

同理可知：Na2S溶液中的質(zhì)子守恒關(guān)系式為：

c（OH ）=c（HS ）+2c（H S）+c（H ）

NaHS溶液中的質(zhì)子守恒關(guān)系式為：

c（H ）+c（H S）=c（S ）+c（OH ）

當(dāng)然，在運(yùn)用守恒關(guān)系解題時(shí)，有時(shí)往往要把幾種守恒原理綜合起來加以考慮。