例談守恒原理的應(yīng)用

摘要：重點介紹了原子守恒、電子守恒、電荷守恒在高中化學(xué)計算中的應(yīng)用，每種原理列舉了幾種常見實例，詳細介紹了分析解答思路，希望使學(xué)生能更好地掌握守恒定律及在化學(xué)計算方法上有一定啟發(fā).

關(guān)鍵詞：原子守恒;電子守恒;電荷守恒;化學(xué)計算;高中化學(xué)

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2022）13-0133-03

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，共獲得了標準狀況下22.4L氣體，而反應(yīng)中消耗的硝酸物質(zhì)的量可能為（）.

A.1.0molB.1.6molC.2.2molD.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.3.43gB.4.00gC.4.50gD.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，并收集到標準狀況下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.11B.2.8gC.5.6gD.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)：

Fe+2HClFeCl2+H2↑

FeO+2HClFeCl2+H2O

Fe2O3+6HCl2FeCl3+3H2O

Fe+2FeCl33FeCl2

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.

2NaOH+FeCl2Fe（OH）2↓+2NaCl

4Fe（OH）2+O2+2H2O4Fe（OH）3

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∶3B.1∶2C.1∶1D.3∶1

解析本題如果通過化學(xué)方程式來進行計算：

2NaOH+CO2Na2CO3+H2O

Na2CO3+CO2+H2O2NaHCO3

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x mol、y mol，即可列出兩個等式：

x+y=0.4

x+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準狀態(tài)下氣體的體積是（）.

A.4.48LB.6.72LC.5.60LD.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

Cu2++2e-Cu

陰極生成0.3mol Cu，得電子為0.6mol.

陽極中Cl-失電子生成Cl2：

2Cl--2e-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

4OH--4e-2H2O+O2↑

則

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

故A正確.

例6通入標準狀況下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/LB.1.2mol/LC.1.8mol/LD.2.24mol/L

解析設(shè)FeBr2溶液濃度為x moL/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，收到標準狀況下的氣體為672mL，把盛氣體的儀器倒扣到水內(nèi)，標準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.112mLB.224mLC.336mLD.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.

例13、較高溫度下的氫氧化鈉水溶液中通入氯氣，發(fā)生兩個的氧化還原反應(yīng)，在完全反應(yīng)后，測得了水溶液中NaClO3和NaClO的物質(zhì)的量之比為（）

A.9∶4B.5∶1C.1∶1D.11∶2

解析該反應(yīng)中的氯元素得失電子情況如下：Cl+e-→NaCl，

Cl-e-→NaClO，Cl-5e-→NaClO3，根據(jù)電子守恒則有n（NaCl）=n（NaClO）+5n（NaClO3）=4a+5×1a=9a（a為比例常數(shù)），所以NaCl與NaClO物質(zhì)的量比為：9k∶4k=9∶4.

故A答案正確.

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（）.

A.c（NH+4）>2c（SO2-4）

B.c（NH+4）<2c（SO2-4）

C.c（NH+4）=2c（SO2-4）

D.無法確定c（NH+4）和2c（SO2-4）的大小關(guān)系

解析根據(jù)電荷守恒原理，

在溶液中c（H+）+c（NH+4）=2c（SO2-4）+c（OH-）

由于pH=7，c（H+）=c（OH-），所以c（NH+4）=2c（SO2-4）

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）molB.（a+0.2）mol

C.（2a+0.1）molD.（2a+0.2）mol

解析反應(yīng)后溶液中存在的離子有Cu2+、NO-3、H+（OH-忽略不計），以HNO3、Cu（NO3）2形式存在，根據(jù)電荷守恒原理得：

n（Cu2+）×2+n（H+）×1=n（NO3-）×1

所以n（NO-3）=3.2g/64g/mol×2+amol×1=（a+0.1）mol.

故A正確.

例10某地酸雨，經(jīng)檢測除H+以外（OH-忽略不計）還含Na+、Cl-、NH+4

、SO2-4，其中鈉離子濃度為2.0×10-5mol/L，氯離子濃度為3.5×10-5mol/L，

銨根離子濃度為2.6×10-5mol/L，硫酸根離子濃度為1.05×10-5moL/L，則該酸雨的pH為（）.

A.3B.4C.5D.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：

c（Na+）+c（NH+4）+c（H+）

=c（Cl-）+2c（SO2-4）+c（OH-）

酸性溶液中，c（OH-）很小，忽略，將題給Na+、Cl-、NH+4、SO2-4濃度代入則可求得c（H+），從而求得該酸雨的pH=5.

故C正確.

例11若由硫酸鉀、硫酸鋁與硫酸構(gòu)成的混合水溶液中，其pH=1，c（Al3+）=0.4mol/L，c（SO2-4）=0.8mol/L，則c（K+）為（）.

A.0.15mol/LB.0.2mol/L

C.0.3mol/LD.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.

參考文獻：[1]

李仲旭.巧學(xué)妙解高中化學(xué)＼[M＼].鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，2021：1-10.

[責(zé)任編輯：季春陽]

收稿日期：2022-02-05

作者簡介：朱宏（1968.6-），男，云南省宣威人，本科，中學(xué)高級教師，從事高中化學(xué)教學(xué)研究.[FQ）]