高中化學(xué)解題中守恒法的應(yīng)用

吳凱明

(浙江省義烏中學(xué),浙江 金華 322000)

化學(xué)作為一門重要的理科學(xué)科,在高考中占有重要的分值比例,通過化學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí),能夠培養(yǎng)學(xué)生的邏輯分析能力與思考能力.化學(xué)學(xué)科在生活中廣泛應(yīng)用,對學(xué)生的學(xué)習(xí)與生活有著重要作用.在高中化學(xué)教學(xué)中,不僅要求學(xué)生掌握化學(xué)知識(shí),同時(shí)能夠有效利用化學(xué)知識(shí).守恒定律是學(xué)生必須掌握的定理,守恒法是守恒定律在化學(xué)解題中的應(yīng)用,加深學(xué)生對守恒定律的理解,可有效提高學(xué)生的解題效率.

1 利用原子守恒,解答化學(xué)題

原子守恒法主要是利用化學(xué)反應(yīng)過程中,反應(yīng)前與反應(yīng)后其原子種類與個(gè)數(shù)不變,進(jìn)行計(jì)算或推導(dǎo)的解題方法.在化學(xué)解題中,利用原子守恒法,通常不需要利用化學(xué)方程式,只需要確定化學(xué)反應(yīng)開始和結(jié)束時(shí)的粒子關(guān)系,根據(jù)守恒關(guān)系進(jìn)行計(jì)算,得出最終結(jié)果[1].

例1在一定的溫度下,1 L的密封容器內(nèi),加入1 mol N2和3 mol H2,通過化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)平衡,通過檢測可以得知平衡混合物中N2的物質(zhì)的量是M,H2的物質(zhì)的量是N,NH3的物質(zhì)的量是Q,在溫度不變的情況,改變初始的物質(zhì)的量,保證M、N、Q不變,N2、H2、NH3具體加入的量用x、y、z表示,需要滿足的條件是:

(1)當(dāng)x=0,y=0時(shí),則z=____.

(2)當(dāng)x=0.75 mol時(shí),則y=____,z=____.x、y、z需要滿足的條件是____.

解析在解答此題時(shí),等效平衡是最為常用的解題方式,但是,利用原子守恒,可以更加簡單地解決問題.在容器內(nèi)增加的物質(zhì),需要包含2 mol的N原子和6 mol的H原子,(1)當(dāng)x=0,y=0時(shí),則z=2;(2)當(dāng)x=0.75 mol,根據(jù)氮原子守恒可以得出z=2 mol-0.75 mol×2=0.5 mol;根據(jù)氫原子守恒可以得出y=(6 mol-3×0.5 mol)/2=2.25 mol;(3)根據(jù)氮原子守恒可以得出2x+z=2,根據(jù)氫原子守恒可以得出2y+3z=6.

2 利用質(zhì)量守恒,解決化學(xué)題

質(zhì)量守恒是指在化學(xué)反應(yīng)前后,發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)總質(zhì)量與化學(xué)反應(yīng)后的物質(zhì)總質(zhì)量不變.根據(jù)質(zhì)量守恒原理,對化學(xué)反應(yīng)中的化學(xué)物質(zhì)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算,通過這樣的方式,可以有效、準(zhǔn)確地解答各種類型的化學(xué)問題.

例2現(xiàn)有一塊鋁鐵合金,為了測量出其中鋁的含量,進(jìn)行如下的實(shí)驗(yàn):切下一小塊合金,將其溶入鹽酸中,之后,加入足量的氫氧化鈉溶液,在溶液中沉淀全部變成紅褐色之后,對沉淀物進(jìn)行過濾,并且在空氣中燃燒,最后得到的紅棕色粉末的質(zhì)量與原來的合金試樣質(zhì)量相等,那么合金中鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是( ).

A.25% B. 30% C. 46% D. 70%

解析在解題中,需要明確從合金到紅棕色粉末的過程中鐵元素的轉(zhuǎn)化,根據(jù)題意可以得出合金中鋁的質(zhì)量與氧化鐵中氧的質(zhì)量相等,最后利用質(zhì)量守恒定律進(jìn)行計(jì)算.在整個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中,鐵、鋁兩種元素轉(zhuǎn)化如圖1所示.

圖1 轉(zhuǎn)化關(guān)系示意圖

根據(jù)上述過程分析,可以得出紅棕色的粉末是氧化鐵,根據(jù)題意得知,反應(yīng)之前合金的質(zhì)量與得到的氧化鐵質(zhì)量相等.因此,鐵元素在每一步反應(yīng)中都完全轉(zhuǎn)化,所以鐵元素的質(zhì)量守恒,則合金中鋁的質(zhì)量與氧化鐵中的氧元素質(zhì)量相等,所以合金中鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是:

因此,正確答案是B.

3 利用得失電子守恒,解答化學(xué)題

得失電子守恒通常在氧化還原反應(yīng)中使用,是根據(jù)氧化還原反應(yīng)中得失電子總數(shù)相等,以此進(jìn)行推導(dǎo)和計(jì)算.在氧化還原反應(yīng)的各種計(jì)算中,得失電子守恒廣泛使用,還可以用于解決復(fù)雜氧化還原反應(yīng)中的計(jì)算以及配平問題.得失電子只在氧化還原反應(yīng)中發(fā)生,因此,只要在氧化還原反應(yīng)中才可以使用得失電子守恒,根據(jù)題目已知,結(jié)合所學(xué)知識(shí),對氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物以及還原產(chǎn)物進(jìn)行判斷,根據(jù)氧化劑或者還原劑在化學(xué)反應(yīng)前后的化合價(jià)變化,確定原子或者離子得失電子數(shù)量,根據(jù)氧化劑得到的電子數(shù)和還原劑失去電子數(shù)相等進(jìn)行列式計(jì)算[2].

例3羥胺(H2NOH)是一種還原劑,能夠?qū)⒁恍┭趸瘎┻€原.現(xiàn)在使用25 mL 0.049 mol/L的羥胺酸性溶液與足量的Fe2(SO4)3溶液在煮沸條件下進(jìn)行反應(yīng),生成的Fe2+恰好可以與24.50 mL 0.02 mol/L的酸性KMnO4溶液發(fā)生作用:FeSO4+KMnO4+H2SO4→Fe2(SO4)3+K2SO4+MnSO4+H2O,在上述化學(xué)反應(yīng)中,羥胺的氧化產(chǎn)物是( ).

A.N2B.N2O C.NO D.NO2

解析在此題解答過程中,需要明確氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物,找出氧化劑與還原劑得失電子的情況,根據(jù)得失電子守恒列出相應(yīng)的等式,并且計(jì)算得出結(jié)果.Fe2(SO4)3被羥胺還原成FeSO4,FeSO4被酸性的KMnO4溶液氧化成Fe2(SO4)3,可以看作沒有參與氧化還原反應(yīng),所以可以認(rèn)為羥胺是還原劑,KMnO4是氧化劑.羥胺中的氮元素在化學(xué)反應(yīng)之前是-1價(jià),設(shè)化學(xué)反應(yīng)之后氮元素是n價(jià),所以25.00 mL×0.001 L×0.049 mol/L×(n+1)=24.50 mL×0.001 L×0.020 mol/L×(7-2),求解得出n=1,所以羥胺的氧化產(chǎn)物是N2O,正確答案是B.

4 利用電荷守恒,解答化學(xué)題

電荷守恒法是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后,離子所帶的電荷總數(shù)沒有變化的原理,進(jìn)行計(jì)算或推導(dǎo).一般來說,電荷守恒通常在溶液中離子濃度關(guān)系的推斷中使用,也可以利用電荷守恒,對化學(xué)反應(yīng)某些量進(jìn)行計(jì)算.在電解質(zhì)溶液的計(jì)算中,通常使用電荷守恒法,溶液中的電荷守恒屬于隱藏條件,需要注意的是,每種陰離子、陽離子所帶的電荷數(shù)是該粒子的物質(zhì)的量與每個(gè)粒子所帶電荷數(shù)量的乘積[3].在解題中,需要根據(jù)題意對化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行分析,確定反應(yīng)后的終點(diǎn)溶液.在終點(diǎn)溶液中,找出陰離子與陽離子,根據(jù)題目已知條件,進(jìn)行各種離子物質(zhì)的量的計(jì)算,利用電荷守恒列出等式,完成計(jì)算.

例4將0.1 mol鎂、鋁混合物溶于100 mL 2 mol/L的H2SO4溶液,之后滴入1 mol/L的NaOH溶液,回答下列問題:

(1)如果在NaOH溶液滴入的過程中,沉淀的質(zhì)量m隨著NaOH溶液的體積V的變化如圖2所示,當(dāng)V1=160 mL,則金屬粉末中n(Mg)=____mol,V2=____mL.

圖2 沉淀m與NaOH溶液體積V的變化曲線圖

(2)如果在NaOH溶液滴入的過程中,想要使得Mg2+、Al3+剛好完全沉淀,那么滴入的NaOH溶液的體積V=____mL.

(3)如果混合物依然是0.1 mol,其中Mg粉的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)是a,使用100 mL 2 mol/L的H2SO4溶解混合物,之后,加入450 mL 1 mol/L的NaOH溶液,得到的沉淀中沒有Al(OH)3,滿足此條件的a的取值范圍是____.

高中化學(xué)解題中,守恒法是重要的解題方式,能夠簡化解題步驟,提高學(xué)生解題效率.因此,在高中化學(xué)解題教學(xué)中,需要對守恒法進(jìn)行匯總,幫助學(xué)生把握守恒法本質(zhì),掌握守恒法的應(yīng)用方法,快速、準(zhǔn)確地解答問題.