整體把握化學(xué)反應(yīng)中的元素守恒

胡小磊　王慧娟

摘 要：質(zhì)量守恒定律是初中化學(xué)教學(xué)中的難點(diǎn)，由此延伸的化學(xué)變化中的元素守恒對初學(xué)者來講更是不好理解.本文通過分析教學(xué)過程中學(xué)生認(rèn)為的“難題”，從整體把握計(jì)算過程，幫助學(xué)生快速掌握解題方法，從更高的角度，熟練掌握質(zhì)量守恒定律.

關(guān)鍵詞：整體;質(zhì)量（元素）守恒;計(jì)算

作者簡介：胡小磊（1983-），男，山東高青人，本科，中學(xué)二級教師，研究方向：中學(xué)化學(xué)教學(xué);

王慧娟（1989-），女，山東莘縣人，本科，中學(xué)二級教師，研究方向：中學(xué)化學(xué)教學(xué).

質(zhì)量守恒定律在初中化學(xué)中居于核心地位，是義務(wù)教育階段科學(xué)教育領(lǐng)域?yàn)閿?shù)不多的幾個(gè)基本定律之一，是后期書寫化學(xué)方程式，利用化學(xué)方程式進(jìn)行計(jì)算的基礎(chǔ)，有利于幫助學(xué)生提高化學(xué)學(xué)科素養(yǎng).

筆者在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，大多初學(xué)者對質(zhì)量守恒定律的學(xué)習(xí)和理解不到位，不能從整體上把握，對質(zhì)量守恒定律延伸出來的元素守恒、原子守恒等推論僅僅停留在機(jī)械記憶階段，不能較好的進(jìn)行應(yīng)用，所以就形成了有些“難題”無法正確解答的局面.本文從整體角度和元素守恒思路對典型例題進(jìn)行解答，以期對學(xué)生在質(zhì)量守恒定律的學(xué)習(xí)上進(jìn)行有效點(diǎn)撥，達(dá)到事半功倍的效果.

化學(xué)變化中的元素守恒是指在化學(xué)反應(yīng)前后元素的種類和質(zhì)量均不發(fā)生改變，從化學(xué)反應(yīng)的整體角度掌握這一知識(shí)點(diǎn)，有些“難題”便可化繁為簡，迎刃而解.

例1 （2016·虞城縣三模）在由CH4和H2組成的混合氣體中，測知碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，則混合氣體充分燃燒生成二氧化碳和水的質(zhì)量比為（ ）

A.11∶18B.22∶9C.1∶1D.11∶27

解析 觀察發(fā)現(xiàn)，混合氣體和足量的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，組分均可完全燃燒，產(chǎn)物只有CO2和H2O.

其反應(yīng)的化學(xué)方程式為：CH4+2O2點(diǎn)燃CO2+2H2O; 2H2+O2點(diǎn)燃2H2O

從整體看，混合物中只有兩種元素組成——碳元素和氫元素，而且混合物中碳、氫元素的質(zhì)量比為6∶4（3∶2）.

由化學(xué)方程式可知，反應(yīng)物中（只有甲烷中有）的碳元素反應(yīng)完成后全部進(jìn)入二氧化碳中，而反應(yīng)物（甲烷和氫氣中均有）中的氫元素反應(yīng)后全部進(jìn)入生成的水中.

由化學(xué)反應(yīng)中元素守恒知，產(chǎn)物二氧化碳中的碳元素的質(zhì)量等于反應(yīng)前甲烷中的碳元素的質(zhì)量;產(chǎn)物水中的氫元素的質(zhì)量等于反應(yīng)前甲烷和氫氣中氫元素的質(zhì)量之和.以此思路，該題可如下解答：

解：設(shè)，原混合物中碳元素的質(zhì)量為3x，則氫元素的質(zhì)量為2x

生成的二氧化碳的質(zhì)量為：3x÷（1244×100%）=11x

生成的水的質(zhì)量為：2x÷（218×100%）=18x

生成的二氧化碳的質(zhì)量與水的質(zhì)量比為（11x）∶（18x）=11∶8，答案選A

例2 （2013·大連，節(jié)選）取47.4g高錳酸鉀，加熱一段時(shí)間后停止，共收集到3.2g氧氣.計(jì)算：剩余固體中氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（計(jì)算結(jié)果保留到0.1%）.

解析 該反應(yīng)的化學(xué)方程式為：2KMnO4△K2MnO4 +MnO2 +O2↑

題目中并未提及高錳酸鉀是否完全反應(yīng)，只知道生成了3.2g氧氣.

要計(jì)算剩余固體中氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分析剩余固體成分：高錳酸鉀、錳酸鉀、二氧化錳.這三種物質(zhì)均含有氧元素.按照正常的思路，應(yīng)利用生成的氧氣的質(zhì)量分別計(jì)算出參加反應(yīng)的高錳酸鉀的質(zhì)量及生成的二氧化錳和錳酸鉀的質(zhì)量，然后再計(jì)算氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù).這種思路計(jì)算量大，而且容易出錯(cuò)，不適合實(shí)際操作.

如果從整體分析，依據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后氧元素的質(zhì)量守恒，我們發(fā)現(xiàn)整個(gè)化學(xué)反應(yīng)中，固體中氧元素減少的質(zhì)量即為生成的氧氣的質(zhì)量.則剩余的氧元素的質(zhì)量，即為反應(yīng)前高錳酸鉀中氧元素的質(zhì)量減去生成的氧氣的質(zhì)量.

同樣利用質(zhì)量守恒定律，反應(yīng)后固體的質(zhì)量應(yīng)為反應(yīng)前固體質(zhì)量減去生成的氧氣的質(zhì)量.

故該題可做如下解答：

解：剩余固體中氧元素的質(zhì)量為：47.4g×64158×100%-3.2g=16.0g

剩余固體的質(zhì)量為：47.4g-3.2g=44.2g

16.0g44.2g×100%=36.2%

答：剩余固體中氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.2%.

例3 （2013·哈爾濱）煅燒石灰石可制得氧化鈣（假設(shè)石灰石中的雜質(zhì)不參與反應(yīng)，且不含鈣、碳元素）.測得煅燒后剩余固體中鈣元素與碳元素的質(zhì)量比為20∶3.則已分解的碳酸鈣占原碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（ ）

A.40%B.60%C.30%D.50%

解析 該反應(yīng)的化學(xué)方程式：CaCO3高溫CaO+CO2↑

該題目中，碳酸鈣并未完全分解.反應(yīng)完成后殘余固體中有雜質(zhì)、氧化鈣（CaO）和碳酸鈣（CaCO3）.殘余固體中的成分比較復(fù)雜，題目中已知量也不多，只有剩余固體中的鈣元素和碳元素的質(zhì)量比，進(jìn)行一一分析比較困難，似是一個(gè)很難解答的題目.

不過，我們從化學(xué)反應(yīng)前后元素守恒的角度來分析，這種題似乎并不難.

我們觀察發(fā)現(xiàn)在該反應(yīng)中，固體質(zhì)量有所損失的元素為碳元素和氧元素，而鈣元素在化學(xué)反應(yīng)前后的固體中并未減少.即反應(yīng)前后固體中鈣元素的質(zhì)量不發(fā)生改變，這是其一.

同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，剩余固體中的碳元素來源只有剩余的碳酸鈣，這是其二.

由此，我們可以分別計(jì)算出反應(yīng)前和反應(yīng)后碳酸鈣的質(zhì)量，問題迎刃而解.故，解答如下：

解：設(shè)剩余固體中的鈣元素為20x，則碳元素的質(zhì)量為3x

反應(yīng)前碳酸鈣的質(zhì)量為：

20x÷40100×100%=50x

反應(yīng)后剩余固體中的碳酸鈣的質(zhì)量為：

3x÷12100×100%=25x

則分解的碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1-25x50x×100%=50%

故該題選D.

通過上述諸例題我們不難發(fā)現(xiàn)，在某些化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)物或者生成物的組成比較復(fù)雜，從物質(zhì)角度入手分析比較困難，有時(shí)候會(huì)讓學(xué)生感到無所適從.而從總體上把握化學(xué)變化中元素的守恒，再結(jié)合利用化學(xué)式進(jìn)行物質(zhì)質(zhì)量的計(jì)算，是解決此類題目的捷徑.同時(shí)，可以通過這類題目的練習(xí)加強(qiáng)學(xué)生對質(zhì)量守恒定律的理解.

參考文獻(xiàn)：

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（收稿日期：2019-06-13）