淺議元素守恒在化學(xué)計(jì)算中的應(yīng)用

孫永權(quán) 毛夏南

[摘? ?要]在關(guān)于元素守恒在化學(xué)計(jì)算中的應(yīng)用的綜合課中，通過(guò)各類例題，由淺入深，由單一元素守恒到多種元素守恒，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)元素守恒知識(shí)的理解、應(yīng)用、創(chuàng)新，真正做到“授人以漁”。

[關(guān)鍵詞]元素守恒;質(zhì)量守恒;化學(xué)計(jì)算

[中圖分類號(hào)]? ?G633.8? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ?A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ?1674-6058（2019）08-0071-02

“質(zhì)量守恒定律”是華師大版九年級(jí)上冊(cè)第一章第一節(jié)的內(nèi)容。根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知：參加化學(xué)反應(yīng)的各種物質(zhì)的質(zhì)量之和等于生成的各種物質(zhì)的質(zhì)量之和。質(zhì)量守恒定律的實(shí)質(zhì)是：化學(xué)反應(yīng)前后元素的原子種類沒(méi)有改變，各元素的原子數(shù)目也沒(méi)有增減，各元素的原子的質(zhì)量也沒(méi)有改變，所以在化學(xué)反應(yīng)前后各元素質(zhì)量守恒。筆者通過(guò)下面例題展示元素守恒法在化學(xué)計(jì)算中的巧用，幫助學(xué)生理解和應(yīng)用元素守恒法巧妙解題。

【例1】 30 g某有機(jī)物和氧氣恰好完全反應(yīng)，生成88 g二氧化碳和54 g水，由此可知，該有機(jī)物中 （? ? ? ）。

A.含有碳、氫、氧三種元素

B.只含有碳、氫兩種元素

C.一定含有碳、氫元素，可能含有氧元素

D.無(wú)法確定

這是相對(duì)簡(jiǎn)單的常規(guī)題，學(xué)生根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知反應(yīng)前后元素的質(zhì)量守恒，反應(yīng)后有二氧化碳和水生成即反應(yīng)后有C、H、O三種元素，反應(yīng)前也應(yīng)該有C、H、O三種元素且各元素質(zhì)量保持不變。從題干的“有機(jī)物和氧氣反應(yīng)”可以判斷有機(jī)物中一定含有C、H元素，是否含有O元素，可以根據(jù)“反應(yīng)后C、H元素質(zhì)量之和是否和反應(yīng)前有機(jī)物質(zhì)量相等”來(lái)判斷。即

由計(jì)算可得，反應(yīng)后C、H元素的質(zhì)量之和等于反應(yīng)前的有機(jī)物質(zhì)量，所以有機(jī)物中沒(méi)有氧元素，即可得出答案B。這道題是元素守恒的常規(guī)題，這種元素守恒題經(jīng)常出現(xiàn)。學(xué)生根據(jù)反應(yīng)前后元素守恒及化合物中元素質(zhì)量的求法，就可解決此類題。接下來(lái)，筆者讓學(xué)生挑戰(zhàn)例2，這是一道沒(méi)有任何數(shù)字的計(jì)算題。

【例2】將一定質(zhì)量的碳酸鈣和單質(zhì)碳的混合物置于坩堝中充分灼燒，假定生成的氣體能全部收集起來(lái)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所得氣體質(zhì)量恰好等于原混合物質(zhì)量，試求原混合物中碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

筆者讓學(xué)生仔細(xì)研讀題干，從題干獲取有用信息。學(xué)生從題干中提取到以下信息：1.碳酸鈣和碳在坩堝中灼燒;2.生成的氣體質(zhì)量恰好等于原混合物的質(zhì)量。這時(shí)學(xué)生提出疑問(wèn)：那生成的氣體是什么呢？通過(guò)分析化學(xué)方程式“[CaCO3加熱CaO+CO2↑]，C + O 2 [點(diǎn)燃? ?] CO2”可知，生成的氣體是二氧化碳。題目要求的是混合物中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即碳酸鈣中的碳元素和碳單質(zhì)在原混合物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。師生共同分析上述化學(xué)方程式發(fā)現(xiàn)：原混合物中碳酸鈣的碳元素和碳單質(zhì)的碳元素都轉(zhuǎn)化成了二氧化碳的碳元素（用紅色圓圈圈出相關(guān)守恒元素，讓學(xué)生一目了然），即二氧化碳中碳元素的質(zhì)量就是原混合物中碳元素的質(zhì)量，且生成的二氧化碳?xì)怏w質(zhì)量等于原混合物的質(zhì)量。根據(jù)這些就可以求出原混合物中碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)了。設(shè)原混合物的質(zhì)量為m g，則碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：

通過(guò)這道題的分析，學(xué)生深刻地感受到原來(lái)質(zhì)量守恒定律還可以這樣來(lái)應(yīng)用，居然可以將沒(méi)有任何數(shù)字的題目算出結(jié)果。這時(shí)，學(xué)生已經(jīng)對(duì)元素守恒產(chǎn)生了極大的興趣，筆者趁熱打鐵，讓學(xué)生繼續(xù)挑戰(zhàn)難度略有上升的例3。

【例3】在CO和CO2的混合氣體中，氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64%，將該混合氣體10克通過(guò)足量的灼熱的氧化銅，完全反應(yīng)后，把氣體全部通入足量的澄清石灰水中，得到白色沉淀的質(zhì)量是多少克？

通過(guò)此題的分析，學(xué)生發(fā)現(xiàn)原來(lái)反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量也可通過(guò)反應(yīng)前后元素守恒來(lái)計(jì)算，大大減少了中間過(guò)程，避免了煩瑣的計(jì)算，真是奇妙。在學(xué)生感嘆化學(xué)奇妙之時(shí)，筆者出示比例3更復(fù)雜的例4。

【例4】Na2O、Na2CO3、NaOH組成的固體混合物8.0克與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.5%的鹽酸20.0克，恰好反應(yīng)完全，蒸干溶液，最終得到的固體質(zhì)量為多少克？

學(xué)生仔細(xì)研究題干發(fā)現(xiàn)，要求最終得到的固體質(zhì)量，就必須知道最終得到的固體是什么物質(zhì)。學(xué)生討論后書(shū)寫(xiě)化學(xué)方程式：

分析三個(gè)化學(xué)方程式，學(xué)生發(fā)現(xiàn)最終的固體是氯化鈉（讓學(xué)生圈出化學(xué)反應(yīng)方程式中相關(guān)的守恒元素），存在兩種元素守恒：（1）反應(yīng)物中的鈉元素都轉(zhuǎn)化到了氯化鈉中;（2）氯化鈉中的氯元素都來(lái)自于鹽酸。學(xué)生產(chǎn)生疑惑：是否兩種元素守恒都要利用呢？學(xué)生通過(guò)再次討論發(fā)現(xiàn)：（1）中無(wú)法得知反應(yīng)物中的鈉元素的質(zhì)量，所以無(wú)法求出氯化鈉的質(zhì)量;（2）中生成物中的氯元素全部來(lái)自鹽酸，且鹽酸中氯化氫的質(zhì)量是可以求得的。在例3的鋪墊下，根據(jù)反應(yīng)前后氯元素守恒，可求出氯化鈉的質(zhì)量。具體如下：

通過(guò)例4和例3的分析，學(xué)生發(fā)現(xiàn)原來(lái)這么煩瑣的化學(xué)計(jì)算通過(guò)元素守恒法居然可以變得這么簡(jiǎn)潔，元素守恒在化學(xué)計(jì)算中的運(yùn)用真是“絕妙”。在例題的分析討論過(guò)程中，既培養(yǎng)了學(xué)生的思維能力，又讓學(xué)生感受到元素守恒的“奇妙”，增加了學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣，提升了學(xué)生對(duì)知識(shí)的運(yùn)用和理解能力。在學(xué)生喜悅之際，筆者讓學(xué)生挑戰(zhàn)難度更大的多種元素守恒問(wèn)題，這時(shí)，學(xué)生都興致高漲，躍躍欲試。

【例5】含有Fe、Zn 、Al的合金粉10.5克與20%稀硫酸溶液恰好完全反應(yīng)。蒸干后得到晶體29.7g（不含結(jié)晶水），則合金與硫酸反應(yīng)后最多可收集到氫氣（? ?） 。

A.1.16 g

B.0.875 g

C.0.40 g

D.無(wú)法判斷

學(xué)生通過(guò)研讀題干得出有用信息：Fe、Zn 、Al都可以和硫酸發(fā)生反應(yīng)，生成氫氣?；瘜W(xué)反應(yīng)化學(xué)方程式為：

學(xué)生分析討論后發(fā)現(xiàn)，蒸干后的固體成分是FeSO4 、ZnSO4、Al2（SO4）3。學(xué)生通過(guò)圈出相關(guān)守恒元素發(fā)現(xiàn)：反應(yīng)前后鐵元素、鋅元素、鋁元素的質(zhì)量保持不變，蒸干后晶體質(zhì)量增加的是硫酸根離子的質(zhì)量，m（SO42-）=29.7-10.5=19.2（g）;而硫酸中的氫元素都轉(zhuǎn)化為氫氣中的氫元素，即求氫氣的質(zhì)量其實(shí)就是求硫酸中氫元素的質(zhì)量，由m（H2）∶m（SO42-）=2∶96= x g∶19.2 g，得x=0.4 g，亦即氫氣的質(zhì)量。雖然本題存在多種元素守恒，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)難度很大，但有例4做鋪墊，學(xué)生經(jīng)過(guò)討論后，也順利完成了解答，超出了筆者的預(yù)期。從中筆者也反思總結(jié)到：教師要相信學(xué)生，學(xué)生的理解應(yīng)用能力和創(chuàng)造力是無(wú)限的。

通過(guò)質(zhì)量守恒定律中元素守恒法在化學(xué)計(jì)算中應(yīng)用的五個(gè)例題，題題相扣，由淺入深，由一種元素守恒到多種元素守恒，師生、生生共同合作，討論分析，最終學(xué)生掌握了元素守恒在化學(xué)計(jì)算中的應(yīng)用，并且能舉一反三，比原來(lái)只懂得化學(xué)反應(yīng)前后元素守恒的表象深入了很多。由此，學(xué)生了解到質(zhì)量守恒法定律在具體計(jì)算中的各式應(yīng)用，并感受到元素守恒在化學(xué)計(jì)算中的“強(qiáng)大”——在很多計(jì)算中都可以用到且可以把復(fù)雜、多步的計(jì)算題通過(guò)一系列的分析變得簡(jiǎn)單易解。可見(jiàn)，只要我們教師用心總結(jié)、反思，師生共同分析討論，就能找到合適的方法解決難題，真正做到“授人以漁”，這也正是我們科學(xué)核心素養(yǎng)所要求的。

（責(zé)任編輯 羅 艷）