淺析守恒法在化學(xué)解題中的應(yīng)用

陳潤(rùn)珊衷明華

(韓山師范學(xué)院化學(xué)系，廣東 潮州 521041)

摘要：在高中化學(xué)解題中，各種守恒關(guān)系為我們解答了復(fù)雜題目提供了一個(gè)簡(jiǎn)便的關(guān)系，利用守恒法解題，可以不必糾纏于細(xì)節(jié)，只要注意問(wèn)題始態(tài)與終態(tài)之間某種守恒關(guān)系，建立等式求解，以達(dá)到減少運(yùn)算量，增強(qiáng)運(yùn)算準(zhǔn)確率的效果。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué)解題守恒法

守恒法是化學(xué)解題中常用的一種解題方法。物質(zhì)在參加反應(yīng)時(shí)，化合價(jià)升降的總數(shù)，反應(yīng)物和生成物的總質(zhì)量，各物質(zhì)中所含的每一種原子的總數(shù)，各種微粒所帶的電荷總和等等，都必須守恒。運(yùn)用守恒定律，不必糾纏過(guò)程細(xì)節(jié)，不必考慮途徑變化，只需考慮反應(yīng)體系中某些組分相互作用前后某些物理量或化學(xué)量的始態(tài)和終態(tài)，免去一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，大大簡(jiǎn)化解題過(guò)程，提高解題速度和正確率。一切化學(xué)反應(yīng)都遵循守恒定律，在化學(xué)變化中有各種各樣的守恒，如質(zhì)量守恒、元素守恒、原子守恒、電子守恒、電荷守恒、化合價(jià)守恒、能量守恒等等。所以守恒是解計(jì)算題時(shí)建立等量關(guān)系的依據(jù)，守恒法往往穿插在其它方法中同時(shí)使用，是各種解題方法的基礎(chǔ)，使用守恒法可以迅速建立起等量關(guān)系，快速解決問(wèn)題。

一、質(zhì)量守恒

質(zhì)量守恒指的是在任何與周圍隔絕的物質(zhì)系統(tǒng)(孤立系統(tǒng))中，不論發(fā)生何種變化或過(guò)程，其總質(zhì)量保持不變。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后反應(yīng)物的總質(zhì)量與生成物的總質(zhì)量相等的原理，進(jìn)行計(jì)算或推斷。

例1.現(xiàn)有A、B、C三種物質(zhì)的混合物，A為25克，B為10克，C為5克，將混合物置于密閉容器中共熱至反應(yīng)停止后，發(fā)現(xiàn)容器內(nèi)含有A為10克，B為21克，并有新物質(zhì)D生成，求該反應(yīng)中反應(yīng)物與生成物之間的質(zhì)量比。

解析：如果按照普通的解答技巧來(lái)照本宣科地求取本題的最后結(jié)果，這個(gè)過(guò)程就會(huì)變得非常繁瑣、復(fù)雜。通過(guò)細(xì)致分析已知條件，本題的解題突破口是由題目條件確定參加反應(yīng)的各物質(zhì)質(zhì)量總和，等于反應(yīng)后生成的各物質(zhì)質(zhì)量總和。關(guān)鍵是弄清反應(yīng)物有哪些，生成物有哪些，以及參加反應(yīng)的各物質(zhì)質(zhì)量與生成的各物質(zhì)質(zhì)量分別是多少。很明顯，A和C質(zhì)量減少，為反應(yīng)物。A、C參加反應(yīng)的質(zhì)量分別是：

A：25克-10克=15克；C：5克；B、D質(zhì)量增加，為生成物。

B生成的質(zhì)量為：21克-10克=11克。

由質(zhì)量守恒定律，設(shè)生成D的質(zhì)量為x。

則：15克+5克=11克+x

∴x=9克。

故反應(yīng)中A、B、C、D之間的質(zhì)量比為15：11：5：9。

二、元素守恒

元素守恒指的是化學(xué)反應(yīng)前后各元素的種類不變，各元素的原子個(gè)數(shù)不變，其物質(zhì)的量、質(zhì)量也不變。元素守恒包括原子守恒和離子守恒：原子守恒法是依據(jù)反應(yīng)前后原子的種類及個(gè)數(shù)都不變的原理，進(jìn)行推導(dǎo)或計(jì)算的方法。離子守恒是根據(jù)反應(yīng)(非氧化還原反應(yīng))前后離子數(shù)目不變的原理進(jìn)行推導(dǎo)和計(jì)算。用這種方法計(jì)算不需要化學(xué)反應(yīng)式，只需要找到起始和終止反應(yīng)時(shí)離子的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可通過(guò)簡(jiǎn)單的守恒關(guān)系，計(jì)算出所需結(jié)果。

例2.將0.8mol CO2完全通入1L 1mol/L NaOH溶液中充分反應(yīng)后，所得溶液中NaHCO3和Na2CO3的物質(zhì)的量之比為()。

A、3：1 B、2：1 C、1：1 D、1：3

解析：如根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式來(lái)進(jìn)行計(jì)算，就必須先寫(xiě)出涉及到的兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)方程式，然后再列方程組求算，很繁瑣。我們可以換個(gè)角度考慮問(wèn)題，因?yàn)榉磻?yīng)前后質(zhì)量守恒，原子的種類及數(shù)目不會(huì)改變，所以在反應(yīng)中鈉離子與碳原子守恒。假設(shè)NaHCO3和Na2CO3的物質(zhì)的量分別為X、Y，則根據(jù)碳原子守恒有X+Y=0.8mol，根據(jù)鈉原子守恒有X+2Y=1mol，解之得X=0.6mol、Y=0.2mol故X：Y=3：1，選A。

例3.現(xiàn)有不純的金屬M(fèi)(含有不溶于水也不溶于酸的雜質(zhì))，取該金屬樣品4.0可，投入19.45克20%的稀鹽酸中，恰好完全反應(yīng)，測(cè)得該金屬與鹽酸生成的氯化物中含氯50%，則該金屬樣品中金屬M(fèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為多少。

解析：氯離子的質(zhì)量為19.45克×20%=3.89克，由氯離子守恒可知，生成的氯化物中含氯為3.89克，因?yàn)槁然镏泻?0%，所以氯化物中含金屬M(fèi)也為50%，即3.89克。由金屬M(fèi)離子守恒可知，該金屬樣品中金屬M(fèi)的質(zhì)量為3.89克。故該金屬樣品中金屬M(fèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.89克/4.0×100%=97.25%

三、物質(zhì)的量守恒

物質(zhì)的量守恒是微觀方面，指的是化學(xué)反應(yīng)前后原子的總量不變。物質(zhì)的量守恒是根據(jù)反應(yīng)前后某一物質(zhì)的量不變的原理進(jìn)行推導(dǎo)和計(jì)算的方法。此方法可以應(yīng)用在多步反應(yīng)中的計(jì)算。可簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，減少數(shù)學(xué)計(jì)算，一步得出結(jié)果。

例4.有一在空氣中放置了一段時(shí)間的KOH固體，經(jīng)分析測(cè)知其含水2.8%、含K2CO337.3%，取1克該樣品投入25毫升2摩/升的鹽酸中后，多余的鹽酸用1.0摩/升KOH溶液30.8毫升恰好完全中和，蒸發(fā)中和后的溶液可得到固體()。

A、1克 B、3.725克 C、0.797克 D、2.836克

解析：本題化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，數(shù)字處理煩瑣，所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)：KOH+HCl=KCl+H2O，K2CO3+2HCl=2KCl+H2O+CO2↑若根據(jù)反應(yīng)通過(guò)所給出的量計(jì)算非常繁瑣。K2CO3和KOH與鹽酸反應(yīng)的產(chǎn)物都是KCl，鹽酸過(guò)量，用1.0mol/L KOH溶液剛好中和，最后全部生產(chǎn)KCl，即蒸發(fā)得到的固體為KCl，但若根據(jù)Cl-守恒，便可以看出：蒸發(fā)溶液所得KCl固體中的Cl-，全部來(lái)自鹽酸中的Cl-，即：生成的n(KCl)=n(HCl)=0.025l×2mol/l，m(KCl)=0.025l×2mol/l×74.5g/mol=3.725g

四、電荷守恒

電荷守恒，即對(duì)任一電中性的體系，如化合物、混合物、濁液等，電荷的代數(shù)和為0，即正電荷總數(shù)和負(fù)電荷總數(shù)相等。電荷守恒是利用反應(yīng)前后離子所帶電荷總量不變的原理，進(jìn)行推導(dǎo)或計(jì)算。常用于溶液中離子濃度關(guān)系的推斷，也可用此原理列等式進(jìn)行有關(guān)反應(yīng)中某些量的計(jì)算。

例5：若K2SO4，Al2(SO4)3，硫酸的混合液pH=1，c(Al3+)=0.4mol/L，c(SO42-)=0.8mol/L，則求鉀離子的濃度。

解析：由題意可知道溶液pH=1，則說(shuō)明H+濃度為0.1mol/L。通過(guò)電荷守恒法我們可以知道，陰離子只有硫酸根，假設(shè)有1mol溶液，那么負(fù)電荷為0.8×2=1.6mol，Al3+的電荷為0.4×3=1.2mol，假設(shè)H+的0.1mol，正電荷還剩下1.6-1.2-0.2=0.3mol顯然剩余正電荷全部由K+提供，所以鉀離子濃度為0.3/1=0.3mol/L。

五、電子得失守恒

電子得失守恒，是指在氧化還原反應(yīng)中，氧化劑得到的電子數(shù)一定等于還原劑失去的電子數(shù)。無(wú)論是自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，還是原電池或電解池中，都是如此。它廣泛應(yīng)用于氧化還原反應(yīng)中的各種計(jì)算，甚至還包括電解產(chǎn)物的計(jì)算。

例6.某含鉻Cr2O72-廢水用硫亞鐵銨[FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O]處理，反應(yīng)中鐵元素和鉻元素完全轉(zhuǎn)化為沉淀。該沉淀干燥后得到n molFeO·FeyCrxO3。不考慮處理過(guò)程中的實(shí)際損耗，下列敘述錯(cuò)誤的是()。

A.消耗硫酸亞鐵銨的物質(zhì)的量為n(2-x)mol

B.處理廢水中Cr2O72-的物質(zhì)的量為mol

C.反應(yīng)中發(fā)生轉(zhuǎn)移的電子為3nx mol

D.在FeO·FeyCrxO3中3x=y

解析：該反應(yīng)中鐵元素的化合價(jià)由+2升高到+3，鉻元素的化合價(jià)由+6降到+3。由鉻元素守恒知廢水中Cr2O72-的物質(zhì)的量為mol，反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子為6×mol=3nx mol。由電子得失守恒知y=3x，而由鐵元素守恒知消耗硫酸亞鐵銨的物質(zhì)的量為n×(1+y)mol=n(3x+1)mol，因此選項(xiàng)A是錯(cuò)誤的。

綜上所訴，在進(jìn)行解題時(shí)，首先必須明確每一種守恒法的特點(diǎn)，然后挖掘題目中存在的守恒關(guān)系，最后巧妙地選擇方法以達(dá)到正確解答題目的目的。

1.在溶液中存在著離子的電荷守恒和元素守恒。因此涉及到溶液的離子的物質(zhì)的量或者物質(zhì)的量濃度等問(wèn)題時(shí)可考慮電荷守恒法和元素守恒。

2.在氧化還原反應(yīng)中存在著得失電子守恒。因此涉及到氧化還原反應(yīng)中氧化劑、還原劑得失電子及反應(yīng)前后化合價(jià)等問(wèn)題可以考慮電子守恒法。

3.在某些復(fù)雜多步的化學(xué)反應(yīng)中，某些元素的質(zhì)量或濃度等沒(méi)有發(fā)生變化。因此涉及到多不復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程的問(wèn)題可以考慮元素守恒法。

4.在一個(gè)具體的化學(xué)反應(yīng)中，由于反應(yīng)前后質(zhì)量不變，因此涉及到與質(zhì)量有關(guān)的問(wèn)題可以考慮質(zhì)量守恒法。

在解題中若能靈活運(yùn)用守恒法，便能常常使復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，技巧化，既可以提高解題的速度，又可以提高解題的準(zhǔn)確度，收到事半功倍的效果。