感受化學(xué)計算的魅力

沈紅英

[摘 要]化學(xué)計算是中考化學(xué)的重要組成部分，課程標(biāo)準(zhǔn)雖然對化學(xué)計算的要求有所降低，但對學(xué)生綜合應(yīng)用能力的要求卻越來越高。化學(xué)計算題不應(yīng)該是單純的憑空設(shè)計的化學(xué)計算，其情境應(yīng)該與化學(xué)分析、生產(chǎn)實際和學(xué)生生活體驗相聯(lián)系，盡可能從環(huán)境保護(hù)、生產(chǎn)生活、資源利用三個方面展示化學(xué)計算的獨特魅力。

[關(guān)鍵詞]化學(xué)計算；中考化學(xué)；計算題

[中圖分類號] G633.8 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-6058（2018）14-0071-02

化學(xué)計算是化學(xué)基本技能的重要組成部分?；瘜W(xué)計算既要從質(zhì)的方面來揭示物質(zhì)的變化規(guī)律，又要從量的方面來研究物質(zhì)的變化結(jié)果，兩方面互相聯(lián)系，互為補充?；瘜W(xué)計算的根據(jù)是化學(xué)反應(yīng)遵循質(zhì)量守恒定律和純凈物具有確定的化學(xué)元素組成的原理。掌握好化學(xué)計算技能的關(guān)鍵是正確理解題意，正確使用化學(xué)基本術(shù)語和原理，善于從中找出其中的等量關(guān)系、比例關(guān)系或函數(shù)關(guān)系。

對化學(xué)計算題的思考不應(yīng)局限于計算技巧，更應(yīng)對其在生產(chǎn)、生活方面的應(yīng)用價值進(jìn)行思考，重視計算原理在實驗中，在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，這對培養(yǎng)學(xué)生從化學(xué)的角度思考問題的能力非常必要。中考計算題已不僅僅是單純的數(shù)學(xué)運算，且逐步走出人為編制的、沒有實際價值的偏、難、怪的誤區(qū)，重新走到基本思想和方法的正確軌道上來，重點考查學(xué)生運用所學(xué)化學(xué)概念、理論知識解決實際問題的能力，真正體現(xiàn)了化學(xué)計算的特點。因此中考化學(xué)計算題更多的是通過一定的真實情境——實驗探究過程或生活中的一些素材，對化學(xué)計算思想進(jìn)行考查。

一、化學(xué)計算與環(huán)境保護(hù)

由于人類生產(chǎn)、生活等因素的影響，環(huán)境污染問題越來越引起人們的關(guān)注。保護(hù)環(huán)境是我們義不容辭的責(zé)任。但在講到環(huán)境污染問題時，我們很多時候只是舉例說明一下，學(xué)生對環(huán)境污染很少有數(shù)量的概念。因此我們在進(jìn)行化學(xué)計算教學(xué)時，完全可以把環(huán)境問題與化學(xué)計算融合在一起，使學(xué)生更直觀地認(rèn)識到保護(hù)環(huán)境的重要性。

【例1】 （2006·蘇州）秸稈是一種相對清潔的可再生能源，平均含硫量只有千分之三點八（3.8‰），而煤的平均含硫量約為百分之一（1%）。某地燃燒秸稈的發(fā)電廠一年燃燒秸稈約2.0×105 t，可節(jié)約煤1.0×105 t。假設(shè)燃料中的硫元素經(jīng)燃燒后全部轉(zhuǎn)化為SO2，試計算該發(fā)電廠燃燒秸稈比燃燒煤每年少排放SO2多少噸？

本題計算難度不高，只要厘清題意，很容易計算出一年燃燒秸稈比燃燒煤少排放480 t SO2，本題主要是讓學(xué)生通過計算認(rèn)識到要產(chǎn)生相同的熱量，燃燒秸稈比燃燒煤產(chǎn)生的SO2要少得多，燃燒秸稈更加環(huán)保；對煤，最好能進(jìn)行綜合利用，直接將其作為燃料，不僅浪費資源，而且會造成環(huán)境污染。以學(xué)生自己計算出來的數(shù)據(jù)來說明煤作為燃料的缺點，讓學(xué)生更深刻地認(rèn)識到選擇燃料時要從多方面考慮。本題的設(shè)計意圖是引導(dǎo)學(xué)生對計算結(jié)果進(jìn)行反思：對于燃料的選擇，不但要考慮經(jīng)濟(jì)效益，更要顧及環(huán)境安全。

【例2】 （2015·蘇州）用石灰石漿吸收廢氣中的二氧化硫，其反應(yīng)原理是：2CaCO3+O2+2SO2 [高溫]2CaSO4+2CO2 。若1000 kg廢氣中含有1.6 kg的二氧化硫，則至少需要含90%碳酸鈣的石灰石多少千克才能將其完全吸收？

【例3】 （2005·蘇州）煤是一種化石燃料，用煤作燃料生成的SO2氣體會造成環(huán)境污染。有一種煤每燃燒1 t就會釋放出53. 3 kg SO2。如果將產(chǎn)生的SO2用熟石灰來完全吸收，其反應(yīng)的化學(xué)方程式為： SO2 + Ca（OH）2 = CaSO3 + H2O，那么燃燒5 t這種煤產(chǎn)生的SO2在理論上需要用多少千克的Ca（OH）2 來吸收？

看到上面這兩道中考題，我們會想到什么？僅僅當(dāng)作計算題來解答，還是在此基礎(chǔ)上當(dāng)作一種信息源加以思考？這兩道題的計算難度不大，只要根據(jù)給出的化學(xué)方程式，找到相應(yīng)物質(zhì)的量的關(guān)系，就可以算出結(jié)果。但是出題者的本意應(yīng)該是希望我們能夠?qū)︻}目進(jìn)行進(jìn)一步的深入思考。以熟石灰吸收SO2為例，可以將其延伸到生產(chǎn)生活環(huán)境當(dāng)中。例如，討論1：原煤中含硫量一般比較高，在1.5%～3%之間，直接利用原煤污染較大。有關(guān)部門規(guī)定，在市區(qū)所使用的煤必須要經(jīng)過脫硫處理，使其含硫量低于0.8%。請分析例3的題給信息，判斷題中所使用的煤是脫硫煤還是原煤。討論2：如何處理SO2從而減小其對環(huán)境的污染？（還可以繼續(xù)深入）討論3：已知NaOH和Ca（OH）2 都可以用來吸收SO2，且已知下列條件：（1）溶液的吸收效果明顯高于固體；（2）NaOH售價3080元/噸，Ca（OH）2 售價350元/噸。提問：（1）若同樣吸收64 kg的SO2，需要NaOH較多還是Ca（OH）2 較多？ （2）請根據(jù)上述材料說明：實驗室中吸收SO2用NaOH較多而工業(yè)上用Ca（OH）2 較多的原因。

通過以上的進(jìn)一步討論、比較，看似拓展計算，實際上加深了化學(xué)計算與生產(chǎn)生活環(huán)境的緊密聯(lián)系，使學(xué)生更加感性地認(rèn)識到化學(xué)計算對改善環(huán)境起著重要的作用。

二、化學(xué)計算與生產(chǎn)生活

學(xué)習(xí)化學(xué)計算的最終目的主要是為了應(yīng)用到實際的生產(chǎn)生活當(dāng)中，而不是為了掌握單純的計算技巧。計算題的編制只有符合工業(yè)生產(chǎn)和生活實際，學(xué)生在解題的過程中才能切實體會到學(xué)習(xí)化學(xué)計算并不是純數(shù)字、純思維的訓(xùn)練，而是具有實用價值的。既然如此，在化學(xué)計算題的編制過程中，只要稍加注意，使理論與實際相聯(lián)系，讓學(xué)生在解題過程中發(fā)現(xiàn)化學(xué)的實用價值。

【例4】 （2006·蘇州）某工廠采購到一批鋼材，質(zhì)檢員為檢驗其含碳量，需要用抽樣對比的方法進(jìn)行化驗。他先稱取含碳量為0.5%的標(biāo)準(zhǔn)鋼樣1.50 g，讓其在足量的氧氣中充分燃燒，最終收集到通常狀況下的二氧化碳13.8 mL。再稱取待測鋼樣1.50 g ，用同樣的方法在相同條件下收集到二氧化碳16.6 mL。求待測鋼樣的含碳量（計算結(jié)果精確到0.1%）。（已知通常狀況下，二氧化碳的密度為1.99 g/L）

本題可以有不同的解題方法，可以根據(jù)方程式計算，可以用碳元素守恒法計算，最簡便的是按比例計算。通過本題的分析，學(xué)生了解到化工生產(chǎn)中的計算也是用化學(xué)基礎(chǔ)知識甚至數(shù)學(xué)中簡單的比例關(guān)系來解答的。本題的編制讓學(xué)生感受到了工業(yè)生產(chǎn)中鋼材含碳量的測定方法?；瘜W(xué)計算絕不應(yīng)該是純理論的計算，而應(yīng)該是運用理論知識解決實際問題的計算。

【例5】 （2008·蘇州） 國家“西氣東輸”工程使得東部沿海地區(qū)廣大居民用上了天然氣（主要成分是甲烷）作燃料。已知l kg甲烷燃燒生成液態(tài)水和二氧化碳，放出的熱量約為5.87×107 J。試填空： （1）參加上述反應(yīng)的氧氣和生成的二氧化碳的化學(xué)計量數(shù)之比ν（O2）：ν（CO2）= ； （2）若l kg甲烷燃燒生成氣態(tài)水和二氧化碳，放出的熱量 5.57×107J（選填“>” “<”或“=”）；（3）16 kg甲烷燃燒生成水和二氧化碳，至少消耗氧氣的質(zhì)量為 kg。

本題的計算對象是學(xué)生家里常用的天然氣，學(xué)生會感覺到化學(xué)計算就在身邊。這種類型的計算題的編制就很有實用價值，學(xué)生愿意去分析，愿意去計算，這樣的計算題不再使學(xué)生覺得枯燥無味?；瘜W(xué)計算與生活實際的聯(lián)系，讓學(xué)生更深刻地認(rèn)識到化學(xué)就在我們身邊，為了我們的生活更加美好，我們應(yīng)該學(xué)好化學(xué)。

三、化學(xué)計算與資源利用

當(dāng)今社會各種資源比較緊缺，在化工生產(chǎn)過程中必須要考慮生產(chǎn)成本，節(jié)約原料，因此必須要考慮反應(yīng)物的利用率。雖然學(xué)生是不需要進(jìn)行實際生產(chǎn)操作的，但是通過化學(xué)計算可以讓學(xué)生從數(shù)據(jù)上直接認(rèn)識到生產(chǎn)同一種產(chǎn)品，選擇不同的原料區(qū)別很大，我們應(yīng)該盡可能地選擇轉(zhuǎn)化率高的原料，從而充分利用資源，節(jié)約原料，做到物盡其用。

充分利用資源，就是要考慮反應(yīng)物中原子利用率的高低。如在進(jìn)行O2的制備時，我們完全可以通過一些簡單的計算來討論原料選擇的優(yōu)缺點：（1）過氧化氫制氧氣過程中氧原子的利用率是多少？生成氧氣占反應(yīng)物中過氧化氫質(zhì)量的百分比是多少？（2）高錳酸鉀制氧氣過程中對氧原子的利用率是多少？生成氧氣占反應(yīng)物中高錳酸鉀質(zhì)量的百分比是多少？通過計算結(jié)果的比較，從原子利用率方面不難看出，選擇過氧化氫要優(yōu)于高錳酸鉀。當(dāng)然，也可以從別的方面比較兩者制備O2的優(yōu)缺點。

實驗室制備氧氣的量比較少，選擇高錳酸鉀還是過氧化氫作為原料，可能區(qū)別并不大。但在實際工業(yè)生產(chǎn)中，大批量的生產(chǎn)某種產(chǎn)品時，原子利用率的高低就顯得尤為重要了。另外，用同樣的原料，選擇不一樣的途徑，最終的生產(chǎn)成本也會不一樣，對環(huán)境的影響也可能不同。例如，工業(yè)上以銅為原料生產(chǎn)硫酸銅，可以選擇以下兩種途徑：

（1）Cu[ 濃硫酸加熱 ]CuSO4 （反應(yīng)：Cu+2H2SO4 [加熱]

CuSO4+SO2 [↑]+2H2O） ；

（2）Cu [加熱] CuO [稀硫酸] CuSO4。

兩種途徑中，表面上看第一種途徑只需要一步反應(yīng)，看似簡單，但通過簡單的計算，不難發(fā)現(xiàn)硫原子的利用率卻不高；第二種途徑看似復(fù)雜，實際上硫原子反而能百分百地轉(zhuǎn)化到產(chǎn)物CuSO4中，而且沒有環(huán)境污染物產(chǎn)生。

綜上可知，化學(xué)計算沒有精致的儀器，沒有迷人的現(xiàn)象，有的只是數(shù)字，有的只是分析，它不像化學(xué)實驗?zāi)菢幽軌蚣て饘W(xué)生的求知欲望。怎樣使一堂化學(xué)計算課變得生機(jī)盎然，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到最大限度地提高？我想不妨從化學(xué)計算的實用價值出發(fā)，在編制計算題時，帶上一點生活，帶上一點生產(chǎn)，帶上一點資源能源，帶上一點環(huán)保，相信化學(xué)計算也會變得多姿多彩。

（責(zé)任編輯 羅 艷）