例談守恒原理的應(yīng)用

朱 宏

(云南師范大學(xué)實驗中學(xué) 650031)

守恒定律是指在化學(xué)反應(yīng)前后,參與化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)質(zhì)量、元素種類、原子間的類型、數(shù)目、電子轉(zhuǎn)移數(shù)保持不變;元素的化合價可能改變,但前后化合價升降數(shù)不變,即電子轉(zhuǎn)移數(shù)不變.守恒現(xiàn)象很多,本文依托常見原子守恒、電子守恒、電荷守恒原理總結(jié)了中學(xué)化學(xué)中常見的一些題目的解題思路.

1 原子守恒原理

原子守恒即在化學(xué)反應(yīng)前后,各元素原子個數(shù)相等.

例1以38.4g銅和適量的濃硝酸發(fā)生反應(yīng),銅完全反應(yīng)后,共獲得了標(biāo)準(zhǔn)狀況下22.4L氣體,而反應(yīng)中消耗的硝酸物質(zhì)的量可能為( ).

A.1.0mol B.1.6mol C.2.2mol D.2.4mol

解析因為隨著化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生,以及HNO3含量的變化,所收集的氣體必然是NO2與NO的混合物,則硝酸在和金屬反應(yīng)時生成的二氧化氮與一氧化氮的總量,即為硝酸呈現(xiàn)氧化性的那組成部分量,而呈現(xiàn)酸性的那部分硝酸則生成硝酸銅,由于化學(xué)反應(yīng)前后氮原子守恒,則化學(xué)反應(yīng)耗費HNO3的物質(zhì)的量為:

n(硝酸)=2×n[硝酸銅]+n(氮氧化物)

=38.4g÷64g/mol×2+22.4L÷22.4L/mol

=2.2mol

所以,C正確.

例2有一在空氣中暴露后變質(zhì)的氫氧化鉀固體溶液,分析知其水分為7.62%,碳酸鉀2.83%,氫氧化鉀90%.若把此樣品加在1mol/L的鹽酸溶液46.00mL里,將過量的鹽酸溶液用27.65mL 1.07mol/L氫氧化鉀溶液恰好中和,蒸發(fā)溶液可得固體約為( ).

A.3.43g B.4.00g C.4.50g D.1.07g

解析氯元素原子守恒,固體中KCl的質(zhì)量為:

1.0mol/L×46.00mL/1000×74.5g/mol

=3.43g

故A正確.

例3 將100mL 1mol/L的鹽酸加入一定量的鐵、氧化亞鐵和三氧化二鐵的混合物中,恰好溶解,并收集到標(biāo)準(zhǔn)狀況下224mL氫氣,向所得溶液加入硫氰化鉀后不呈紅色,再加足量氫氧化鈉溶液,使水溶液中的金屬陽離子全部轉(zhuǎn)成沉淀,并將沉淀在空氣中充分煅燒,將之后的固體在高溫下用足夠量一氧化碳還原,得到Fe的總質(zhì)量是( ).

A.11 B.2.8g C.5.6g D.無法計算

解析(1)向混合物中加入鹽酸至混合物完全溶解,發(fā)生反應(yīng):

加入足量的NaOH水溶液,金屬陽離子全部轉(zhuǎn)成沉淀并完全氧化.

整體分析各元素關(guān)系如下:

Fe-FeO-FeCl2-Fe(OH)2-Fe(OH)3-Fe2O3-Fe

根據(jù)原子守恒則得出如下關(guān)系:

即n(Fe)=n(FeCl2)=1/2n(Cl-)

n(Fe)=1/2×0.1L×1mol/L=0.05mol

故m(Fe)=56g/mol×0.05mol=2.8g

故B答案正確.

例4 把0.4mol二氧化碳水溶液通入1L 0.5mol/L氫氧化鈉水溶液中充分化學(xué)反應(yīng)后,可得到水溶液中NaHCO3與Na2CO3的物質(zhì)的量的比為( ).

A.1∶3 B.1∶2 C.1∶1 D.3∶1

解析本題如果通過化學(xué)方程式來進行計算:

根據(jù)原子守恒,在該反應(yīng)中Na+和碳原子的物質(zhì)的量將始終不變,即

n(Na+)=0.5mol,n(C)=0.4mol

設(shè)NaHCO3和Na2CO3的物質(zhì)的量分別為xmol、ymol,即可列出兩個等式:

x+y=0.4x+2y=0.5

解得x=0.3mol、y=0.1mol,故x∶y=3∶1

故D正確.

2電子守恒原理

電子守恒是指在氧化還原反應(yīng)過程中,氧化劑與還原劑轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量不變.

例5將一份含硫酸銅為0.4mol、氯化鉀為0.2mol的混合水溶液為1L,用惰性電極為陰極電解一段時間后,在其中某電極上析出0.3mol Cu,則另一電極上收集標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的體積是( ).

A.4.48L B.6.72L C.5.60L D.13.44L

解析根據(jù)電化學(xué)原理,Cu2+在陰極得電子生成為Cu,即

陰極生成0.3mol Cu,得電子為0.6mol.

陽極中Cl-失電子生成Cl2：

共0.2mol Cl-失去0.2mol電子生成0.1mol Cl2,而根據(jù)電子數(shù)守恒,在溶液中的OH-應(yīng)失去電了0.4mol.因

則放出的O2氣體0.1mol,而氣體總物質(zhì)的總數(shù)是0.2mol,故在標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體的體積是0.2mol×22.4 L/mol=4.48L.

故A正確.

例6通入標(biāo)準(zhǔn)狀況下2.24L的氯氣到100mL的溴化亞鐵水溶液中，充分反應(yīng)后,水溶液中溴離子約1/3被氧化生成溴單質(zhì),則原溴化亞鐵溶液物質(zhì)的量濃度為( ).

A.0.6mol/L B.1.2mol/L C.1.8mol/L D.2.24mol/L

解析設(shè)FeBr2溶液濃度為xmoL/L,按照電子守恒原則可知從氯氣得電子的物質(zhì)的量,相當(dāng)于亞鐵離子和溴離子失電子的物質(zhì)的量之和,則:

2.24L/22.4L/mol×2

=0.1x×1+(0.1x/3)×2×1

解得x=1.2mol/L.

故B正確.

例7在一定量的濃硝酸中加入1.92g銅單質(zhì),銅全部溶解,生成氣體顏色逐漸變淺,收到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體為672mL,把盛氣體的儀器倒扣到水內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)狀況下一定體積的氧氣恰好使氣體溶于水中,則通入氧氣的體積為( ).

A.112mL B.224mL C.336mL D.448mL

解析向HNO3反應(yīng)還原生成NO2、NO,則銅失電子數(shù)目應(yīng)等于硝酸得電子數(shù)目,向容器中通入氧氣，使二氧化氮、一氧化氮轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛釙r,則二氧化氮、一氧化氮失去電子的量應(yīng)等于氧氣得電子的量.Cu失去的電子最終給了O2,由得失電子守恒可得:

4n(O2)=2n(Cu)

故V(O2)=n(O2)×Vm=n(Cu)/2×Vm

=1.92g÷64g/mol÷2×22.4L/mol

=0.336L=336mL.

故C正確.

3 電荷守恒原理

主要指在電解質(zhì)水溶液中或某化合物里陰陽離子所帶的正負(fù)電荷數(shù)量相等.

例8常溫下,將稀硫酸與氨水混合,所得溶液的pH=7,則此溶液中( ).

解析根據(jù)電荷守恒原理,在溶液中

故C正確.

例93.2g銅和30mL 8mol/L硝酸溶液充分反應(yīng),硝酸的還原物質(zhì)有二氧化氮和一氧化氮,反應(yīng)后H+的物質(zhì)的量為amol,則此時溶液含硝酸根離子的物質(zhì)的量為( ).

A.(a+0.1)mol B.(a+0.2)mol

C.(2a+0.1)mol D.(2a+0.2)mol

n(Cu2+)×2+n(H+)×1=n(NO3-)×1

故A正確.

A.3 B.4 C.5 D.6

解析先按照題意把系統(tǒng)內(nèi)存在的全部帶電粒子都寫出：

故C正確.

A.0.15mol/L B.0.2mol/L

C.0.3mol/L D.0.4mol/L

解析依據(jù)電荷守恒原理,在溶液中

c(K+)+c(H+)+3c(Al3+)=2c(SO42-)+c(OH-)

c(OH-)忽略不計,故c(K+)=0.3mol/L.

故C正確.