守恒法在中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)中的“妙用”

張玉榮

守恒法就是以化學(xué)反應(yīng)中存在的某些守恒關(guān)系作為依據(jù)，將問題化繁為簡的一種解題方法。在化學(xué)計算或電解質(zhì)溶液中微粒濃度定量關(guān)系中若能抓住諸多變化中的不變量建立守恒關(guān)系，則可達到巧解、快解的效果，既可避免書寫繁瑣的化學(xué)方程式，提高解題速度，又可避免在復(fù)雜的解題背景下尋找關(guān)系式，提高解題的準確度。特別是得失電子守恒在化學(xué)計算中應(yīng)用更為廣泛，而電荷守恒和物料守恒在比較電解質(zhì)溶液中微粒濃度定量關(guān)系時不可缺少。

常見的守恒關(guān)系如下：

1.電荷守恒：在溶液中陽離子所帶正電荷總數(shù)等于陰離子所帶負電荷總數(shù)，溶液呈電中性。該法常用于溶液中已知多種離子的物質(zhì)的量（或濃度） 計算某一離子的物質(zhì)的量（或濃度）或確定鹽溶液中離子濃度的大小關(guān)系等。

2.電子守恒：氧化還原反應(yīng)中，氧化劑得到的電子總數(shù)等于還原劑失去的電子總數(shù)，即得失電子守恒。該法常用于氧化還原反應(yīng)、原電池、電解池的計算等。

3.原子（物料）守恒法：在一些復(fù)雜多步的化學(xué)反應(yīng)過程中，雖然發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)較多，但某些原子的物質(zhì)的量始終沒有發(fā)生變化，整個過程中原子守恒。該法常用于復(fù)雜的多步化學(xué)反應(yīng)的計算或判斷溶液中離子濃度關(guān)系等。

4.質(zhì)子守恒：適用于電解質(zhì)水溶液某些微粒濃度定量關(guān)系，可由相應(yīng)的電荷守恒等式與物料守恒等式推導(dǎo)得到。

一、守恒法在化學(xué)計算中的應(yīng)用

1.化學(xué)計算中的電荷守恒

例1 某實驗小組收集到一份酸雨樣品，測出相關(guān)的離子濃度如下表。則該酸雨的pH是 （ ）。

Cl-

SO2-4

NO-3

Na+

K+

10-3mol/L

0.1

1.0

2.0

2.0

2.0

A. 1 B.3 C.4 D.5

解析 根據(jù)電荷守恒原理：c（H+）=陰離子帶的負電荷總濃度—陽離子帶的正電荷總濃度=（0.1×1 + 1.0×2 + 2.0×1-2.0×1-2.0×1）×10-3= 1.0×10-4mol/L。即pH=4. 答案C.（注意題中給的單位數(shù)量級）

解題關(guān)鍵 抓住電荷守恒原理，理出溶液中的陽離子和陰離子；注意離子帶的電荷數(shù)。

應(yīng)用練習(xí)1 在c（SO2-4）=4.0mol/L的

Al2（SO4）3、K2SO4、KAl（SO4）2 混合溶液中加入2mol/L的Ba（OH）2溶液2 L時得到沉淀的質(zhì)量為最大值。則原溶液中的c（K+）為（ ）。

A. 5mol/L B. 3mol/L

C. 6 mol/LD. 1 mol/L

提示 沉淀質(zhì)量最大值時Al3+以什么形式存在是關(guān)鍵，認真分析。

（應(yīng)用規(guī)律自主解決。答案 A。）

2.化學(xué)計算中的得失電子守恒

例2 在3BrF3+5H2OHBrO3+O2↑+Br2+9HF中，若有5 mol水參加反應(yīng)，則被水還原的BrF3的物質(zhì)的量是（ ）。

A.3 mol B.103 mol C.43mol D.2 mol

解析 2 mol水被氧化生成1 mol氧氣，水失去電子的物質(zhì)的量為4 mol，BrF3中Br的化合價從+3降為0價，每摩爾BrF3作氧化劑時得3 mol電子，以此根據(jù)得失電子守恒即可求得被2 mol水還原的BrF3為43mol，故正確答案為C。

解題關(guān)鍵 抓住參加氧化還原反應(yīng)的元素之間的得失電子守恒列式解題。注意化合價的變化和參加氧化還原反應(yīng)的的原子個數(shù)。

應(yīng)用練習(xí)2 物質(zhì)的量之比2∶5的鋅與稀HNO3反應(yīng)，若硝酸的還原產(chǎn)物為N2O，反應(yīng)結(jié)束后鋅沒有剩余，則反應(yīng)中被還原的HNO3與未被還原的HNO3的物質(zhì)的量之比是（ ）。

A.1∶4 B.1∶5 C.2∶3 D.2∶5

（ 應(yīng)用規(guī)律自主解決，答案：A ）

3.原子（物料）守恒在化學(xué)計算中

例3 將3.6 g鐵銅混合粉末投入100 mL

c mol/L的稀硝酸中，金屬粉末與硝酸恰好完全反應(yīng)，還原產(chǎn)物只有NO，向反應(yīng)后的溶液中加入足量的NaOH溶液，充分反應(yīng)后將沉淀過濾、洗滌、灼燒至恒重后稱量為4.8 g，則c值不可能為（ ）。

A. 1.2 B.1.5 C.2.0 D.1.95

解析 該題的關(guān)鍵是鐵與稀硝酸反應(yīng)的產(chǎn)物，產(chǎn)物不同消耗的硝酸的量不同；當(dāng)鐵完全生成

Fe（NO3）2時c值為最小值；當(dāng)鐵完全生成Fe（NO3）3時c值為最大值。根據(jù)題中信息，依據(jù)原子守恒規(guī)律分兩步解決問題。

第一步：求出金屬粉末中鐵、銅的物質(zhì)的量。設(shè)金屬粉末中的鐵、銅物質(zhì)的量分別為x、y。則

56x+64y=3.6160×0.5x+80y=4.8

解得x=0.03mol

y=0.03 mol

第二步：采用極值思維法列式解題。

當(dāng)鐵完全生成Fe（NO3）2時c值為最小值；則0.03×8/3+0.03×8/3=0.1×c， c=1.6 mol/L；

當(dāng)鐵完全生成Fe（NO3）3時c值為最大值；則 0.03×8/3+0.03×4=0.1×c， c=2 mol/L。

這樣可得出答案 A、B。

解題反思 在該題的分析列式中都貫穿了原子守恒規(guī)律的應(yīng)用，第一步是金屬元素守恒；第二步時硝酸守恒。

應(yīng)用練習(xí)3 將4.6 g銅鎂合金完全溶解于100 mL密度1.40 g/mL、質(zhì)量分數(shù)為63%的濃硝酸中，得到4480 mL NO2和336mL N2O4的混合氣體 （標(biāo)準狀況）向反應(yīng)后的溶液中加入1.0 mol/L的NaOH溶液至離子恰好全部沉淀時，下列說法不正確的是（ ）。

A.該合金中銅與鎂的物質(zhì)的量比試46∶69

B.該濃硝酸中HNO3 的物質(zhì)的量濃度是14.0 mol/L

C.產(chǎn)生沉淀8.51 g

D.離子恰好完全沉淀時加入的NaOH溶液的體積為230 mL

提示 該題A、B選項判斷比較簡單，難點在C、D選項，C選項的思維中一定要抓住金屬元素沉淀前后質(zhì)量守恒列式；D選項的思維中最關(guān)鍵的是當(dāng)離子恰好全部沉淀時溶液中的NO-3全以NaNO3形式，根據(jù)硝酸中N元素物質(zhì)的量守恒列式求出NaNO3的物質(zhì)的量，同樣利用鈉元素守恒即可解題。

請學(xué)生根據(jù)提示，應(yīng)用原子守恒等知識自主解題。答案 D.

二、守恒法在電解質(zhì)溶液中微粒濃度定量關(guān)系比較中的應(yīng)用

1.電解質(zhì)溶液中個守恒規(guī)律的具體內(nèi)容

（1）電解質(zhì)溶液中電荷守恒規(guī)律

電解質(zhì)溶液中，無論存在多少種離子，溶液都是呈電中性，即陰離子所帶負電荷總數(shù)一定等于陽離子所帶正電荷總數(shù)。如NaHCO3溶液中存在著Na+、H+、HCO-3、CO2-3、OH-，存在如下關(guān)系：

c（Na+）+c（H+）=c（HCO-3）+c（OH-）+2c（CO2-3）。

（2）電解質(zhì)溶液中物料（原子）守恒規(guī)律

電解質(zhì)溶液中，由于某些離子能夠水解或電離，離子種類有所變化，但原子總是守恒的。如K2S溶液中S2-、HS-都能水解，故S原子以S2-、HS-、H2S三種形式存在，它們之間有如下守恒關(guān)系：

c（K+）=2c（S2-）+2c（HS-）+2c（H2S）。

（3）電解質(zhì)溶液中的質(zhì)子守恒規(guī)律

如Na2S水溶液中的質(zhì)子轉(zhuǎn)移作用圖示如圖1：

由圖可得到Na2S水溶液中質(zhì)子守恒式：c（H3O+）+2c（H2S）+c（HS-）=c（OH-）或c（H+）+2c（H2S）+c（HS-）=c（OH-）。質(zhì)子守恒的關(guān)系式也可以由該溶液的電荷守恒式與物料守恒式推導(dǎo)得到。

2.各守恒規(guī)律的應(yīng)用

例4 HA為酸性略強于醋酸的一元弱酸，則下列敘述正確的是（ ）。

A.0.1 mol·L-1 HA溶液中：c（H+）=c（OH-）+c（A-）

B.0.1 mol·L-1 HA溶液與0.1 mol·L-1 NaOH溶液混合至溶液呈中性：c（Na+）>c（A-）

C.0.1 mol·L-1 NaA溶液中：c（Na+）>c（OH-）>c（A-）>c（H+）

D.0.1 mol·L-1 HA溶液中加入少量NaA固體，HA的電離常數(shù)減小

解析 根據(jù)電荷守恒，0.1 mol·L-1 HA溶液中c（H+）=c（OH-）+c（A-），A對；HA溶液與NaOH溶液混合，根據(jù)電荷守恒有c（H+）+c（Na+）=c（OH-）+c（A-），又因溶液呈中性，故c（H+）=c（OH-），則c（Na+）=c（A-），B錯；0.1 mol·L-1 NaA溶液中，由于A-部分水解使溶液呈堿性，則c（Na+）>c（A-）>c（OH-）>c（H+），C錯；HA溶液中加入少量NaA固體，

c（A-）增大，電離平衡逆向移動，但電離常數(shù)只與溫度有關(guān)，溫度不變，電離常數(shù)不變，D錯。答案 A

電荷守恒規(guī)律解題關(guān)鍵是：①寫全所有的離子；②注意離子帶的電荷數(shù)。

應(yīng)用練習(xí)4 寫出0.1 mol·L-1的Na2CO3溶液中各離子濃度的關(guān)系：

①大小關(guān)系。

②物料守恒。

③電荷守恒。

④質(zhì)子守恒。

答案 ①c（Na+）>c（CO2-3）>c（OH-）>c（HCO-3）>c（H+）；

②c（Na+）=2[c（CO2-3）+c（HCO-3）+c（H2CO3）]；

③c（Na+）+c（H+）=c（HCO-3）+c（OH-）+2c（CO2-3）；

④c（OH-）=c（H+）+2c（H2CO3）+c（HCO-3）。

例5 （四川理綜，10）常溫下，下列溶液中的微粒濃度關(guān)系正確的是（ ）。

A.新制氯水中加入固體NaOH：

c（Na+）=c（Cl-）+c（ClO-）+c（OH-）

B.pH=8.3的NaHCO3溶液：

c（Na+）>c（HCO-3）>c（CO2-3）>c（H2CO3）

C.pH=11的氨水與pH=3的鹽酸等體積混合：c（Cl-）=c（NH+4）>c（OH-）=c（H+）

D.0.2 mol·L-1 CH3COOH溶液與

0.1 mol·L-1 NaOH溶液等體積混合：2c（H+）-2c（OH-）=c（CH3COO-）-c（CH3COOH）

解析 A項，由溶液中電荷守恒可知，c（H+）+c（Na+）=c（Cl-）+c（ClO-）+c（OH-）；B項，因為NaHCO3溶液呈堿性，說明HCO-3的水解程度大于其電離程度，故四種微粒的濃度大小為c（Na+）>c（HCO-3）>c（H2CO3）>c（CO2-3）；C項，NH3·H2O是弱堿，pH=11的氨水中溶質(zhì)濃度大于10-3 mol·L-1，與鹽酸中和后，

NH3·H2O有剩余，溶液呈堿性；D項，依據(jù)溶液中電荷守恒和物料守恒的式子進行化簡可以得出此式。 答案D

應(yīng)用物料守恒解題關(guān)鍵：式子書寫時①選擇在電解質(zhì)溶液中保持不變的元素；②寫全該元素在溶液中以各種形式存在的微粒。

解題注意 ①質(zhì)子守恒式子有些溶液不好寫，不必直接寫，可以通過電荷守恒和物料守恒式子化簡得到。②在解決此類題型時，只要題中有等式出現(xiàn)，你必須根據(jù)三個守恒原理的式子作為依據(jù)進行判斷。

應(yīng)用練習(xí)5 判斷下列各小題中微粒關(guān)系是否正確

（1）向NH4HSO4溶液中滴加NaOH溶液至中性，所得混合液：c（Na+）>c（NH+4）>c（SO2-4）>c（OH-）=c（H+）

（2）已知NaHSO3溶液呈酸性，現(xiàn)有濃度均為0.1 mol·L-1 NaHSO3的溶液，溶液中各粒子的物質(zhì)的量濃度存在下列關(guān)系，試判斷：

A.c（Na+）>c（HSO-3）>c（H+）>c（SO2-3）>c（OH-）

B.c（Na+）+c（H+）=c（HSO-3）+c（SO2-3）+c（OH-）

C.c（H+）+c（H2SO3）=c（SO2-3）+c（OH-）

D.c（Na+）=c（HSO-3）+c（H2SO3）+2c（SO2-3）

（3）NaHCO3溶液呈堿性，現(xiàn)有濃度均為0.1 mol·L-1 NaHCO3的溶液，溶液中各粒子的物質(zhì)的量濃度存在下列關(guān)系，試判斷：

A.c（Na+）>c（HCO-3）>c（OH-）>c（CO2-3）>c（H+）

B.c（Na+）+c（H+）=c（HCO-3）+c（CO2-3）+c（OH-）

C.c（H+）+c（H2CO3）=c（CO2-3）+c（OH-）

D.c（Na+）=c（HCO-3）+c（H2CO3）+2c（CO2-3）

（4）某酸性溶液中只含有NH+4、Cl-、H+、OH-4種離子，25 ℃時，試判斷：

A.可由pH=3的HCl溶液與pH=11

NH3·H2O溶液等體積混合而成

B.該溶液中離子一定滿足：c（NH+4）+

c（H+）=c（OH-）+c（Cl-）

C.加入適量NH3·H2O溶液，溶液中離子濃度可能為：c（NH+4）>c（Cl-）>c（OH-）>c（H+）

D.該溶液可能由等物質(zhì)的量濃度、等體積的HCl溶液和NH3·H2O溶液混合而成。

（5）向10 mL 0.1 mol·L-1 Na2CO3溶液中逐滴滴加V mL 0.1 mol·L-1 HCl溶液，滴定過程中有下列粒子濃度關(guān)系，試判斷：

A.當(dāng)V=0時，c（OH-）=c（H+）+c（HCO-3）+c（H2CO3）

B.當(dāng)V=5時，c（Na+）+c（H+）=2c（CO2-3）+c（HCO-3）+c（OH-）

C.當(dāng)V=10時，c（Cl-）=c（CO2-3）+c（HCO-3）+c（H2CO3）

D.當(dāng)V=15時，c（Na+）=c（Cl-）>

c（HCO-3）>c（OH-）>c（H+）

（6）常溫下，0.1 mol·L-1氨水中c（H+）/c（OH-）=1×10-8，判斷下列敘述：

A.該溶液中氫離子的濃度：c（H+）=1×10-11 mol·L-1

B.0.1 mol·L-1氨水與0.1 mol·L-1 HCl溶液等體積混合后所得溶液中：c（Cl-）+c（OH-）=c（NH+4）+c（H+）

C.0.1 mol·L-1氨水與0.05 mol·L-1 H2SO4溶液等體積混合后所得溶液中：c（NH+4）+c（NH3·H2O）=2c（SO2-4）

D.濃度均為0.1 mol·L-1的NH3·H2O和NH4Cl溶液等體積混合后，若溶液呈堿性，則

c（NH+4）>c（NH3·H2O）>c（Cl-）>c（OH-）>c（H+）

（7）（2015江蘇14）.室溫下，向下列溶液中通入相應(yīng)的氣體至溶液pH=7（通入氣體對溶液體積的影響可忽略），溶液中部分微粒的物質(zhì)的量濃度關(guān)系正確的是

A.向0.10mol·L-1NH4HCO3溶液中通入CO2：c（NH4+）=c（HCO-3）+c（CO2-3）

B.向0.10mol·L-1NaHSO3溶液中通入NH3：c（Na+）>c（NH4+）>c（SO2-3）

C.0.10mol·L-1Na2SO3溶液通入SO2：c（Na+）=2[c（SO2-3）+c（HSO-3）+c（H2SO3）]

D.0.10mol·L-1CH3COONa溶液中通入HCl：c（Na+）>c（CH3COOH）=c（Cl-）

（請應(yīng)用守恒規(guī)律自主解決各題，最好能分析出理由。答案：應(yīng)用練習(xí)5.（1）不正確；（2）A 正確B不正確 C正確 D不正確；（3）A 不正確B不正確 C正確 D不正確；（4）A不正確 B正確 C正確 D正確；（5）A不正確 B正確 C正確 D不正確；（6）A正確 B正確 C正確 D不正確；（7）A不正確 B不正確C不正確 D正確 。）

守恒法在電解質(zhì)溶液中微粒濃度定量關(guān)系比較的應(yīng)用中，不能只盯住守恒的幾個式子，因為三個守恒的式子基礎(chǔ)是電解質(zhì)溶液的兩個理論：弱電解質(zhì)的電離理論和鹽電離出離子的水解理論，因此必須熟練掌握這兩個理論的知識，而且在題中能靈活應(yīng)用，這樣守恒法的應(yīng)用才有了保證。

守恒法在中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用遠不僅限于計算和電解質(zhì)溶液微粒濃度大小判斷兩方面。在這里提出這個問題主要目的是提醒學(xué)生注意化學(xué)中的守恒，在平時的化學(xué)學(xué)習(xí)中要多關(guān)注題中的各種守恒，多思考守恒問題。這樣既有利于理解題意，又有利于解題；即提高解題速度，更能提高解題準確率。特別是高三的學(xué)生不妨可以試試。