守恒法在高中化学计算中的应用

摘要：守恒法的实质是利用物质变化过程中某一特定的量固定不变来解决问题,简化步骤，使计算方便.

关键词：守恒法  化学计算  应用

 

在化学反应中存在一系列守恒现象如质量守恒、电荷守恒、电子得失守恒等，守恒法的实质是利用物质变化过程中某一特定的量固定不变而抓住一个在变化过程中始终不变的特征量来解决问题，目的是简化步骤，方便计算。具体内容如下：

一、质量守恒法：质量守恒即“参加化学反应的各物质的质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和”；从微观上可理解为：“在一切化学反应中，反应前后原子的种类、数目、原子质量前后没有变化。”质量守恒的题型有：

（一）物质的质量守恒

例、已知Q与R的摩尔质量之比为9：22，在反应X+2Y=2Q+R中，当1.6gX与Y完全反应后，生成4.4gR，则参加反应的Y和生成物Q的质量之比为（  ）。

A. 46:9   B. 32:9   C. 23:9   D. 16:9

[解析]:由题意得：X + 2Y =2Q + R

18   22

1.6 g  m(Y) 3.6 g 4.4 g

根据质量守恒，参加反应Y与生成物Q的质量之比为（4.4+3.6—1.6）:3.6 =16:9故选 D

（二）原子守恒

例1、将几种铁的氧化物的混合物加入100mL、7mol•L^-1的盐酸中。氧化物恰好完全溶解，在所得的溶液中通入0.56L（标况）氯气时，恰好使溶液中的Fe²⁺完全转化为Fe³⁺，则该混合物中铁元素的质量分数为（   ）

A. 72.4%   B. 71.4%   C. 79.0%   D. 63.6%

[解析]: 由题意，反应后，HCl中的H全在水中，O元素全部转化为水中的O，由关系式：2HCl～H₂O～O，得：n（O）=1/2×n(HCl)= 1/2×0.75=0.35 mol，m（O）=0.35mol×16g•mol^-1=5.6 g；而铁最终全部转化为FeCl₃，n（Cl）=0.56L ÷22.4L/mol×2+0.7mol=0.75mol，n（Fe）=0.25mol，则，选B。

例2、标准状况下将17.92 L CO₂气体通入1 L 1 mol/L的NaOH溶液中，完全反应后所得溶质的物质的量是多少？

[解析]：由题意，n(CO₂)=17.92 L/22.4 mol·L^-1== 0.8 mol，设生成的Na₂CO₃为x mol，NaHCO₃为y mol。则有x + y == 0.8 mol (碳元素守恒),2x + y ==1 mol (钠元素守恒)解得，x == 0.2 mol y == 0.6 mol即生成Na₂CO₃ 0.2mol，NaHCO₃ 0.6 mol。

二、电荷守恒法:电荷守恒即对任一电中性的体系，正负电荷的代数和为零。

例1、将8g Fe₂O₃投入150mL某浓度的稀硫酸中，再投入7g铁粉收集到1.68L H₂（标准状况），同时，Fe和Fe₂O₃均无剩余，为了中和过量的硫酸，且使溶液中铁元素完全沉淀，共消耗4mol/L的NaOH溶液150mL。则原硫酸的物质的量浓度为（   ）

A. 1.5mol/L   B. 0.5mol/L   C. 2mol/L   D. 1.2mol/L

[解析]:  反应后只有Na₂SO₄存于溶液中，且反应过程中SO4^2―并无损耗，根据电荷守恒原则：n（SO4^2―）=1/2×n（Na⁺），则原硫酸的浓度为：2mol/L，故选C。

例2、100 mL 0.1 mol/L醋酸与50 mL 0.2mol/L NaOH溶液混合，在所得溶液中（ ）。
    A．c(Na^＋)＞c(CH₃COO^-)＞c(OH^-)＞c(H⁺)

B．c(Na^＋)＞c(CH₃COO^-)＞c(H⁺) ＞c(OH^-)

C．c(Na^＋)＞c(CH₃COO^-)＞c(H⁺) ＝c(OH^-)

D．c(Na^＋)＝c(CH₃COO^-)＞c(OH^-)＞c(H⁺)

[解析]：由题意知醋酸与NaOH物质的量相等恰好完全反应生成CH₃COONa，溶液中c(OH^-)＞c(H⁺)，据电荷守恒：c(Na^＋)＋c(H⁺)＝c(OH^-)＋c(CH₃COO^-)，由于c(OH^-)＞c(H⁺)，故c(Na^＋)＞c(CH₃COO^-)，故选Ａ。

三、电子得失守恒法（或化合价升降守恒法）

电子守恒即化学反应中氧化剂得电子总数等于还原剂所失电子总数。

例1、一定条件下RO₃^n-和I^-间反应：RO₃^n-＋6I^-＋6H⁺== R^-＋3Ｉ₂＋3H₂O，0.25mol×56g•mol^―1则 RO₃^n－中R元素的化合价为： 答案：+5

例2．将 3.48 g Fe₃O₄ 完全溶解在 100 mL 1.00 mol/L 的 H₂SO₄(aq) 中，然后加入 K₂Cr₂O₇(aq)25.00 mL，恰好使 Fe^2＋全部转化为 Fe^3＋，且Cr₂O 全部转化为 Cr^3＋。则 K₂Cr₂O₇ 的物质的量浓度为__________。 

[解析]：Fe₃O₄中＋2 价铁所失电子物质的量与 Cr2O 中＋6 价铬所得电子物质的量相等。3.48g/232g.mol^_1×(3－2)= 0.02500 L×c(Cr₂O)×(6－3)×2答案：0.100 mol·L^－1

通过运用守恒法解题既可避免书写繁琐的化学方程式，提高解题的速度，又可避免在复杂的解题背景中寻找关系式，提高解题的准确度.

参考文献:

[1] 姜鹏 郑长龙 袁绪富 《化学教育》 2008 第9期

[2] 孙琮和《中国教师》 2010年S1期

[3] 王腊虎《化学教与学》 2010年第9期

 

作者单位：云南省玉溪市元江县第一中学