例談化學計算中的代換方法

安徽 華 振

例談化學計算中的代換方法

代換就是在保持問題本質不變的前提下，對問題信息進行合理的變換，形成有利于解決問題的新的思路，使分析過程簡化，進而提高解題效率。

一、相對原子質量等量代換

例1由KCl和NaCl組成的混合物，測得其含氯質量分數為a%，則其含鉀的質量分數為________。

解析對于此題若采用常規方法求解，計算過程比較繁雜。若我們仔細研究，可以發現K、Na、O的相對原子質量間具有如下關系：Ar(K)=Ar(Na) +Ar(O)，若以Na、O原子代換K原子得(NaO)Cl，則混合物中Cl與Na的物質的量之比為1∶1。由混合物中氯的質量分數可以求得Na的質量分數，進而得到氧的質量分數，且由于鉀的物質的量等于氧的物質的量，可以求得鉀的質量分數。

二、原子守恒代換

例2工業上用硫鐵礦(主要成分為FeS2)煅燒制SO2時，硫的損失率為2%，SO2接觸氧化制SO3的轉化率為90%，SO3被水吸收制取H2SO4時，H2SO4的產率為96%。求：100 t純度為75%的硫鐵礦用此法生產硫酸，可制得98%的H2SO4多少噸？

解析工業上制硫酸的計算涉及多個反應式，若分步來算，不僅復雜，而且還容易出錯。若根據反應前后S原子守恒，各步反應中物質的損失率都看成S的損失率，折合成初始反應物FeS2的損失率，則：

設可制得98%的H2SO4質量為x，據此得：

FeS2～ 2H2SO4

120 98×2

100×75%×(1-2%)×90%×96% 98%·x

列比例式可求得x=105.8 t。

答：可制得98%的H2SO4105.8 t。

三、質量等值代換

例3取一定質量的Ag - Cu合金溶于足量HNO3溶液后，再加入足量鹽酸得到白色沉淀，將沉淀過濾、洗滌、干燥后稱量，其質量與原合金質量相等，則合金中銀的質量分數為多少？

解析經過一系列反應后，所得AgCl沉淀與原Ag - Cu合金質量相等，根據反應過程中Ag元素的質量等值，所以AgCl中Ag元素的質量分數即為Ag - Cu合金中Ag的質量分數，則合金中Ag的質量分數為

四、化合價等價代換

解析鐵紅即為氧化鐵，在鋁熱反應中，鐵、鋁的化合價均在0～3之間變動，根據生成鐵的質量mg，以鐵來代換鋁，得：

五、化學式等效代換

例5下列各組中等物質的量的兩種物質，在足量氧氣中充分燃燒，耗氧量相同的是

( )

A.CH3CH3HCOOCH2CH3

C.CH3CH2OH CH3COOH

解析乍一看此題好像無從入手，然而如果我們把它們作適當的變形，用它們的等效式代換，則有：

A.C2H6C2H6·CO2

B.C2H2C2H2·H2O

C.C2H4·H2O C2(H2O)2

D.C2H4C3H8·CO2

式中寫成CO2和H2O的部分不再耗氧。很顯然，耗氧量相同的為A、B。

六、化學式組合代換

例6在標準狀況下，11.2 L甲烷、甲醛和乙烷組成的混合氣體完全燃燒時，生成了15.86 L CO2，則混合氣體中乙烷的體積分數為

( )

A.20% B.40% C.60% D.80%

C2H6

七、化學式平均代換

例7有兩種氣態不飽和烴的混合物1體積，完全燃燒后可得3.8體積CO2和3.6體積水蒸氣(氣體體積在相同條件下測定)，這兩種烴是

( )

A.C2H4、C4H6B.C2H2、C4H8

C.C3H4、C4H8D.C3H4、C3H6

解析由于混合物的組成不確定，我們可以用平均分子式CxHy來代換，由阿伏加德羅定律：n混合氣∶n(CO2)∶n(H2O)=1∶3.8∶3.6，則n混合氣∶n(C)∶n(H)=1∶3.8∶7.2，所以x=3.8，y=7.2，選項B、C均有可能。這時需驗證其正確性。

B選項，對于C原子：

對于H原子：

故選項B不能同時滿足C、H原子條件，應舍去。同樣可以驗證選項C正確，故本題應選C。

八、性質相似代換

例8氯化碘(ICl)的化學性質跟氯氣相似，預計它跟水反應的最初生成物是

( )

A.HI和HClO B.HCl和HIO

C.HClO3和HIO D.HClO和HIO

九、整體和部分代換

例9足球烯C60結構形如足球，可以認為它是由正二十面體切掉十二個頂點形成的。則C60中有________個正六元環，________個正五元環。

即六元環為20個，五元環為12個。

十、一般和特殊代換

例10有機化合物A、B分子式不同，它們可能只含碳、氫、氧元素中的兩種或三種。如果將A、B不論以何種比例混合，只要其物質的量之和不變，完全燃燒時所消耗的氧氣和生成的水的物質的量也不變。那么A、B組成必須滿足的條件是________；若A是甲烷，則符合上述條件的化合物B中，分子量最小的分子式是________，并寫出分子量最小的含有甲基(—CH3)的B的兩種同分異構體結構簡式：________、________。

解析從正向開始，會有一種無從下手的感覺，若轉化為從CH4這個具體化合物入手，再通過比較、歸納，從特殊到一般找出規律。

等物質的量的化合物B和CH4能生成等物質的量的H2O，那么它必須含有且僅有4個H。要滿足分子量不同且耗氧量不變，只有B比CH4多出若干個CO2原子團，即可表示為CH4(CO2)n，當n=1時B的分子量最小，分子式為C2H4O2。寫出兩種排列可得：HCOOCH3、CH3COOH。

通過CH4與C2H4O2比較、抽象、歸納出A、B組成必須滿足的條件是：①A、B的分子式中氫原子數相同；②相差n個碳原子，同時相差2n個氧原子(n為正整數)。

十一、正向逆向代換

例11向KI溶液中加入AgNO3溶液，直到反應完全為止，反應后溶液的質量恰好等于原碘化鉀溶液的質量，該AgNO3溶液的質量分數為

( )

A.72.34% B.50%

C.81.25 D.無法計算

解析若用逆向思維代換，將“反應后溶液的質量恰好等于原碘化鉀溶液的質量”轉換為“加入的溶液質量等于析出的AgI沉淀的質量”，由于反應完全，加入的AgNO3溶液中AgNO3物質的量與生成AgI物質的量相等，AgNO3溶液質量又等于AgI質量，故AgNO3溶液的質量分數為

故本題應選A。

十二、得失電子數等量代換

例12為測定某銅、銀合金的組成，將14 g該合金溶于足量的某濃度的硝酸中，待合金完全溶解后，收集到的氣體與標準狀況下1.12 L氧氣混合，通入水中被全部吸收，求合金中銅的質量分數。

解析乍看本題似乎條件不足，因為硝酸的濃度未知，即使知道硝酸的濃度，生成的氣體也未知。不過，若我們認真審題便會發現，題中涉及的反應中得失電子守恒，利用等量代換的方法，便可以巧妙而簡捷地獲解。

氣體與氧氣反應中：

設合金中含銅的物質的量為x、銀的物質的量為y，

解得x=0.05 mol，y=0.1 mol。

安徽省靈璧縣黃灣中學)