高中化學(xué)教學(xué)中守恒法的有效應(yīng)用

摘 要：守恒法是一種分析問題的重要方法.高中化學(xué)教學(xué)中注重守恒法的有效應(yīng)用，不僅有助于學(xué)習(xí)者更好地把握化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)規(guī)律，而且能提高其分析化學(xué)問題的效率.高中化學(xué)教學(xué)結(jié)合具體教學(xué)內(nèi)容，做好相關(guān)守恒法知識(shí)講解，展示守恒法的具體應(yīng)用過程，給學(xué)生帶來(lái)學(xué)習(xí)以及解題上的良好啟發(fā).

關(guān)鍵詞：守恒法；應(yīng)用；高中化學(xué)

中圖分類號(hào)：G632?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1008-0333（2023）06-0128-03

高中化學(xué)中守恒法的應(yīng)用主要體現(xiàn)在電子守恒、電荷守恒、物料守恒、質(zhì)子守恒以及能量守恒上.1 電子守恒的應(yīng)用

電子守恒是氧化還原反應(yīng)遵循的重要規(guī)律.高中化學(xué)教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)注重電子守恒在氧化還原反應(yīng)問題中的運(yùn)用，使學(xué)習(xí)者體會(huì)運(yùn)用電子守恒解題的便利，養(yǎng)成運(yùn)用電子守恒分析問題的意識(shí)與習(xí)慣.

例1 將7.6g鐵銅合金放入到100mL某濃度的稀硝酸溶液中，合金完全溶解后，共收集到標(biāo)準(zhǔn)狀況下NO氣體2.24L.同時(shí)測(cè)得溶液中H+的濃度為0.5mol/L.忽略反應(yīng)前后溶液體積變化，則以下說法錯(cuò)誤的是（? ）.

A.上述反應(yīng)中金屬共失去電子0.3mol

B.合金中銅的質(zhì)量為4.8g

C.原硝酸的濃度c（HNO3）=3mol/L

D.要將溶液中的金屬離子沉淀完全則需加70mL 5mol/L的NaOH溶液.

稀硝酸一部分表現(xiàn)為酸性，一部分表現(xiàn)為氧化性.表現(xiàn)氧化性的稀硝酸從金屬中奪取電子，使得N的化合價(jià)由+5價(jià)降低至+2價(jià).n（NO）=2.24L/22.4L/mol=0.1mol，N得到的電子數(shù)為0.3mol.設(shè)合金中鐵、銅物質(zhì)的量分別為x、y，由電子守恒可知3x+2y=0.3mol，又有56x+64y=7.6g，解得x=0.05，y=0.075，對(duì)應(yīng)銅的質(zhì)量為64y=4.8g.溶液中H+的濃度為0.5mol/L，表明剩余硝酸的物質(zhì)的量為0.05mol.由N守恒可得：n（HNO3）=（0.05+0.1+0.05×3+0.075×2）mol=0.45mol，則c（HNO3）=0.45mol/0.1L=4.5mol/L.金屬離子完全沉淀需要先中和剩余的HNO3，并根據(jù)Cu（OH）2和Fe（OH）3進(jìn)行分析.需要消耗NaOH的物質(zhì)的量為（0.05+0.05×3+0.075×2）mol=0.35mol，則所需5mol/L的NaOH溶液的體積為0.35mol/5mol/L=70mL.綜上分析只有C項(xiàng)錯(cuò)誤.

2 電荷守恒的應(yīng)用

電荷守恒指電解質(zhì)溶液中陰離子和陽(yáng)離子所帶電荷的總數(shù)是相等的，溶液對(duì)外不顯電性.

例2 已知某溶液中可能含有Fe3+、Fe2+、NH+4、H+、Cl-、SO42-、S2-、HCO-3中的幾種，取100mL樣品，測(cè)得c（H+）=0.7mol/L，而后按照?qǐng)D1所示進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中X、Y為無(wú)色氣體，氣體均在標(biāo)準(zhǔn)狀況下測(cè)得.根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作與現(xiàn)象，則以下得出的結(jié)論不正確的是（? ）.

A.一定不存在的離子有S2-、HCO-3

B.原100mL溶液中c（Cl-）=0.9mol/L

C.原100mL溶液中c（Fe3+）=0.3mol/L

D.生成氣體X的離子方程式為

3Fe2++NO-3+4H+3Fe3++NO↑+2H2O

溶液中存在H+，首先排除和該離子反應(yīng)的S-2、HCO-3.溶液中加入Ba（NO3）2，有氣體和沉淀產(chǎn)生，其中氣體為NO，物質(zhì)的量為0.224L/22.4L/mol=0.01mol，溶液A為HNO3.沉淀C為BaSO4，物質(zhì)的量為13.98g/233g/mol=0.06mol.溶液B加入過量NaOH加熱生成的氣體Y為NH3，物質(zhì)的量為0.336L/22.4L/mol=0.015mol，生成的沉淀D為Fe（OH）3，物質(zhì)的量為6.42g/107g/mol=0.06mol.生成氣體X的離子方程式為3Fe2++NO-3+4H+3Fe3++NO↑+2H2O，則對(duì)應(yīng)原溶液中含有0.03mol Fe2+和0.03mol Fe3+，c（Fe3+）=0.03mol/0.1L=0.3mol/L.溶液中離子所帶的負(fù)電荷為0.06×2=0.12mol，離子所帶的正電荷為0.07mol+0.03mol×2+0.03mol×3+0.015mol=0.235mol，由電荷守恒可知，溶液中還應(yīng)含有0.115mol負(fù)電荷才能保證溶液為電中性，即，對(duì)應(yīng)n（Cl-）=0.115mol，c=（Cl-）=0.115mol/0.1L=1.15mol/L.綜上分析只有B項(xiàng)錯(cuò)誤.

3 物料守恒的應(yīng)用

物料守恒實(shí)際上是質(zhì)量守恒的微觀體現(xiàn)，指某一元素的原子在化學(xué)反應(yīng)前后不會(huì)發(fā)生改變.該守恒常用于化學(xué)計(jì)算以及電解質(zhì)溶液中離子濃度的大小比較中，計(jì)算時(shí)可不用考慮反應(yīng)的過程，只需考慮原子的來(lái)源以及去向便可構(gòu)建對(duì)應(yīng)的等量關(guān)系.

例3 常溫下，向NaOH和NaAlO2的混合溶液中滴加NaHCO3溶液，測(cè)得溶液pH和生成的Al（OH）3的物質(zhì)的量和加入NaHCO3溶液的體積關(guān)系如圖2所示，則以下說法錯(cuò)誤的是（? ）.

A.加入的NaHCO3先和NaOH反應(yīng)

B.b點(diǎn)、c點(diǎn)均存在關(guān)系：c（Na+）＞2c（CO2-3）+c（HCO-3）

C.NaHCO3溶液的物質(zhì)的量濃度為0.9mol/L

D.d點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溶液中有：c（Na+）=2c（CO2-3）+2c（HCO-3）+2c（H2CO3）

由圖可知在V（NaHCO3）在0～8mL時(shí)無(wú)沉淀生成，則先發(fā)生NaHCO3和NaOH的反應(yīng)，對(duì)應(yīng)的離子方程式為：HCO-3+OH-CO2-3+H2O.當(dāng)加入NaHCO3的體積超過8mL時(shí)生成沉淀Al（OH）3，對(duì)應(yīng)的離子方程式為：HCO-3+AlO2-+H2OAl（OH）3↓+CO2-3，其中加入40mLNaHCO3時(shí)的沉淀達(dá)到最大.b點(diǎn)和c點(diǎn)溶液由電荷守恒c（Na+）+c（H+）=2c（CO2-3）+c（HCO-3）+c（OH-），兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溶液呈堿性，即，c（H+）＜c（OH-），則c（Na+）＞2c（CO2-3）+c（HCO-3）.由圖生成0.036mol Al（OH）3沉淀時(shí)對(duì)應(yīng)消耗V（NaHCO3）=0.04L-0.008L=0.032L，消耗NaHCO3的物質(zhì)的量為0.036mol，則c（NaHCO3）=0.036mol/0.032L=1.125mol/L.d點(diǎn)沉淀量最大，溶液中的溶質(zhì)為Na2CO3，由物料守恒可知c（Na+）∶［（CO2-3）+（HCO-3）+（H2CO3）］=2∶1，則c（Na+）=2c（CO2-3）+2c（HCO-3）+2c（H2CO3）.

綜上只有C項(xiàng)錯(cuò)誤.

4 質(zhì)子守恒的應(yīng)用

質(zhì)子守恒是指酸失去的質(zhì)子和堿得到的質(zhì)子數(shù)目相同.需要注意的是質(zhì)子守恒并不需要死記硬背，而是運(yùn)用電荷守恒、物料守恒進(jìn)行整理便可得出質(zhì)子守恒等式.

例4 常溫下，H2A為一種易溶于水的二元酸，將NaOH溶液滴入到等物質(zhì)的量濃度的H2A溶液中，溶液中H2A、HA-、A2-的物質(zhì)的量濃度隨溶液pH的變化關(guān)系如圖3所示，則（? ）.

A.常溫下，H2A的一級(jí)電離平衡常數(shù)為Ka1=10-6.27

B.當(dāng)V（NaOH溶液）∶V（H2A溶液）=1∶1時(shí)，c（H+）-c（OH-）=2c（A2-）-c（H2A）

C.當(dāng)pH=6.27時(shí)，c（A2-）=c（HA-）＞c（H+）＞c（OH-）

D.當(dāng)溶液呈酸性時(shí)，c（Na+）＞2c（A2-）+c（HA-）

由圖可知c（H2A）=c（HA-）時(shí)pH=3.3，則H2A的一級(jí)電離平衡常數(shù)為10-3.3.V（NaOH溶液）∶V（H2A溶液）=1∶1時(shí)，分別由物料守恒、電荷守恒推導(dǎo)出質(zhì)子守恒，即c（H+）-c（OH-）=

c（A2-）-c（H2A）；pH=6.27時(shí)，c（A2-）=c（HA-），溶液顯酸性，則c（A2-）=c（HA-）＞c（H+）＞

c（OH-）.溶液顯酸性時(shí)，c（H+）＞c（OH-），由電荷守恒可得c（Na+）+c（H+）=2c（A2-）+c（HA-）+c（OH-），c（Na+）＜2c（A2-）+c（HA-）.綜上分析只有C項(xiàng)正確.

5 能量守恒的應(yīng)用

能量守恒是自然界普遍的基本規(guī)律之一，體現(xiàn)在化學(xué)反應(yīng)中主要指熱量.在分析熱量時(shí)主要運(yùn)用蓋斯定律.實(shí)際上蓋斯定律是能量守恒的具體體現(xiàn).

例5 已知：①2C（s）+O2（g）2CO（g），ΔH=-221kJ·mol-1l；

②

2H2（g）2×436kJ·mol-1

4H（g）

O2（g）496kJ·mol-12O（g）

4×463kJ·mol-12H2O

下列說法正確的是（? ）.

A.C（s）的燃燒熱為110.5kJ/mol

B.2H2（g）+O2（g）2H2O（g），ΔH＞0，ΔS＜0，該反應(yīng)是非自發(fā)反應(yīng)

C.C（s）+H2O（g）CO（g）+H2（g），ΔH=＋131.5kJ·mol-1

D.將2mol H2O（g）分解成H2（g）和O2（g）至少需要提供4×463kJ的熱量

由燃燒熱定義可知①中的產(chǎn)物并不穩(wěn)定，A項(xiàng)錯(cuò)誤.由②、ΔH的計(jì)算方法和能量守恒可知，2H2（g）+O2（g）2H2O（g）中ΔH=2×436kJ·mol-1+496kJ·mol-1-4×463kJ·mol-1=-484kJ·mol-1，B項(xiàng)錯(cuò)誤.由蓋斯定律①和②對(duì)應(yīng)的熱化學(xué)方程式聯(lián)立計(jì)算得到：C（s）+H2O（g）CO（g）+H2（g），ΔH=＋131.5kJ·mol-1，C項(xiàng)正確.由②對(duì)應(yīng)的熱化學(xué)方程式可知2mol H2O（g）分解成H2（g）和O2（g）至少需要提供484kJ·mol-1的熱量，D項(xiàng)錯(cuò)誤.綜上選擇C項(xiàng).

參考文獻(xiàn)：

［1］ 陳善佐.高中化學(xué)解題中守恒法的運(yùn)用研究［J］.數(shù)理化解題研究，2022（10）：128-130.

［2］ 仝鵬.守恒法在高中化學(xué)習(xí)題教學(xué)中的應(yīng)用［J］.高中數(shù)理化，2021（24）：73.

［責(zé)任編輯：季春陽(yáng)］

收稿日期：2022-11-25

作者簡(jiǎn)介：吳超（1984.9-），女，吉林省四平人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，從事高中化學(xué)教學(xué)研究.