淺議元素守恒在化學計算中的應用

孫永權 毛夏南

[摘? ?要]在關于元素守恒在化學計算中的應用的綜合課中，通過各類例題，由淺入深，由單一元素守恒到多種元素守恒，培養學生對元素守恒知識的理解、應用、創新，真正做到“授人以漁”。

[關鍵詞]元素守恒;質量守恒;化學計算

[中圖分類號]? ?G633.8? ? ? ? [文獻標識碼]? ?A? ? ? ? [文章編號]? ?1674-6058（2019）08-0071-02

“質量守恒定律”是華師大版九年級上冊第一章第一節的內容。根據質量守恒定律可知：參加化學反應的各種物質的質量之和等于生成的各種物質的質量之和。質量守恒定律的實質是：化學反應前后元素的原子種類沒有改變，各元素的原子數目也沒有增減，各元素的原子的質量也沒有改變，所以在化學反應前后各元素質量守恒。筆者通過下面例題展示元素守恒法在化學計算中的巧用，幫助學生理解和應用元素守恒法巧妙解題。

【例1】 30 g某有機物和氧氣恰好完全反應，生成88 g二氧化碳和54 g水，由此可知，該有機物中 （? ? ? ）。

A.含有碳、氫、氧三種元素

B.只含有碳、氫兩種元素

C.一定含有碳、氫元素，可能含有氧元素

D.無法確定

這是相對簡單的常規題，學生根據質量守恒定律可知反應前后元素的質量守恒，反應后有二氧化碳和水生成即反應后有C、H、O三種元素，反應前也應該有C、H、O三種元素且各元素質量保持不變。從題干的“有機物和氧氣反應”可以判斷有機物中一定含有C、H元素，是否含有O元素，可以根據“反應后C、H元素質量之和是否和反應前有機物質量相等”來判斷。即

由計算可得，反應后C、H元素的質量之和等于反應前的有機物質量，所以有機物中沒有氧元素，即可得出答案B。這道題是元素守恒的常規題，這種元素守恒題經常出現。學生根據反應前后元素守恒及化合物中元素質量的求法，就可解決此類題。接下來，筆者讓學生挑戰例2，這是一道沒有任何數字的計算題。

【例2】將一定質量的碳酸鈣和單質碳的混合物置于坩堝中充分灼燒，假定生成的氣體能全部收集起來，結果發現所得氣體質量恰好等于原混合物質量，試求原混合物中碳元素的質量分數。

筆者讓學生仔細研讀題干，從題干獲取有用信息。學生從題干中提取到以下信息：1.碳酸鈣和碳在坩堝中灼燒;2.生成的氣體質量恰好等于原混合物的質量。這時學生提出疑問：那生成的氣體是什么呢？通過分析化學方程式“[CaCO3加熱CaO+CO2↑]，C + O 2 [點燃? ?] CO2”可知，生成的氣體是二氧化碳。題目要求的是混合物中碳的質量分數，即碳酸鈣中的碳元素和碳單質在原混合物中的質量分數。師生共同分析上述化學方程式發現：原混合物中碳酸鈣的碳元素和碳單質的碳元素都轉化成了二氧化碳的碳元素（用紅色圓圈圈出相關守恒元素，讓學生一目了然），即二氧化碳中碳元素的質量就是原混合物中碳元素的質量，且生成的二氧化碳氣體質量等于原混合物的質量。根據這些就可以求出原混合物中碳元素的質量分數了。設原混合物的質量為m g，則碳元素的質量分數為：

通過這道題的分析，學生深刻地感受到原來質量守恒定律還可以這樣來應用，居然可以將沒有任何數字的題目算出結果。這時，學生已經對元素守恒產生了極大的興趣，筆者趁熱打鐵，讓學生繼續挑戰難度略有上升的例3。

【例3】在CO和CO2的混合氣體中，氧元素的質量分數為64%，將該混合氣體10克通過足量的灼熱的氧化銅，完全反應后，把氣體全部通入足量的澄清石灰水中，得到白色沉淀的質量是多少克？

通過此題的分析，學生發現原來反應產物的質量也可通過反應前后元素守恒來計算，大大減少了中間過程，避免了煩瑣的計算，真是奇妙。在學生感嘆化學奇妙之時，筆者出示比例3更復雜的例4。

【例4】Na2O、Na2CO3、NaOH組成的固體混合物8.0克與質量分數為36.5%的鹽酸20.0克，恰好反應完全，蒸干溶液，最終得到的固體質量為多少克？

學生仔細研究題干發現，要求最終得到的固體質量，就必須知道最終得到的固體是什么物質。學生討論后書寫化學方程式：

分析三個化學方程式，學生發現最終的固體是氯化鈉（讓學生圈出化學反應方程式中相關的守恒元素），存在兩種元素守恒：（1）反應物中的鈉元素都轉化到了氯化鈉中;（2）氯化鈉中的氯元素都來自于鹽酸。學生產生疑惑：是否兩種元素守恒都要利用呢？學生通過再次討論發現：（1）中無法得知反應物中的鈉元素的質量，所以無法求出氯化鈉的質量;（2）中生成物中的氯元素全部來自鹽酸，且鹽酸中氯化氫的質量是可以求得的。在例3的鋪墊下，根據反應前后氯元素守恒，可求出氯化鈉的質量。具體如下：

通過例4和例3的分析，學生發現原來這么煩瑣的化學計算通過元素守恒法居然可以變得這么簡潔，元素守恒在化學計算中的運用真是“絕妙”。在例題的分析討論過程中，既培養了學生的思維能力，又讓學生感受到元素守恒的“奇妙”，增加了學生對科學的興趣，提升了學生對知識的運用和理解能力。在學生喜悅之際，筆者讓學生挑戰難度更大的多種元素守恒問題，這時，學生都興致高漲，躍躍欲試。

【例5】含有Fe、Zn 、Al的合金粉10.5克與20%稀硫酸溶液恰好完全反應。蒸干后得到晶體29.7g（不含結晶水），則合金與硫酸反應后最多可收集到氫氣（? ?） 。

A.1.16 g

B.0.875 g

C.0.40 g

D.無法判斷

學生通過研讀題干得出有用信息：Fe、Zn 、Al都可以和硫酸發生反應，生成氫氣。化學反應化學方程式為：

學生分析討論后發現，蒸干后的固體成分是FeSO4 、ZnSO4、Al2（SO4）3。學生通過圈出相關守恒元素發現：反應前后鐵元素、鋅元素、鋁元素的質量保持不變，蒸干后晶體質量增加的是硫酸根離子的質量，m（SO42-）=29.7-10.5=19.2（g）;而硫酸中的氫元素都轉化為氫氣中的氫元素，即求氫氣的質量其實就是求硫酸中氫元素的質量，由m（H2）∶m（SO42-）=2∶96= x g∶19.2 g，得x=0.4 g，亦即氫氣的質量。雖然本題存在多種元素守恒，對學生來說難度很大，但有例4做鋪墊，學生經過討論后，也順利完成了解答，超出了筆者的預期。從中筆者也反思總結到：教師要相信學生，學生的理解應用能力和創造力是無限的。

通過質量守恒定律中元素守恒法在化學計算中應用的五個例題，題題相扣，由淺入深，由一種元素守恒到多種元素守恒，師生、生生共同合作，討論分析，最終學生掌握了元素守恒在化學計算中的應用，并且能舉一反三，比原來只懂得化學反應前后元素守恒的表象深入了很多。由此，學生了解到質量守恒法定律在具體計算中的各式應用，并感受到元素守恒在化學計算中的“強大”——在很多計算中都可以用到且可以把復雜、多步的計算題通過一系列的分析變得簡單易解。可見，只要我們教師用心總結、反思，師生共同分析討論，就能找到合適的方法解決難題，真正做到“授人以漁”，這也正是我們科學核心素養所要求的。

（責任編輯 羅 艷）