淺談高中化學(xué)解題中守恒法的有效運(yùn)用

張婷婷

(江蘇省沭陽高級(jí)中學(xué) 223600)

“守恒”思想最早是由教育家皮亞杰所提出，他認(rèn)為：“人們?cè)谡J(rèn)識(shí)、分析事物時(shí)根據(jù)已有的理論知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)，得出無論事物怎么變化，仍然有某些特征保持不變.”“守恒”是化學(xué)學(xué)科思想之一，主要體現(xiàn)在質(zhì)量守恒、電子守恒、電荷守恒等方面，在解題過程中巧妙運(yùn)用“守恒法”，可以復(fù)雜的計(jì)算過程，讓學(xué)生只關(guān)注變化的初始和結(jié)束狀態(tài)，根據(jù)題目中的守恒關(guān)系，快速建立求解公式和求出正確結(jié)果，對(duì)于提高解題效率有著事半功倍的效果.

一、運(yùn)用“質(zhì)量守恒法”解題

質(zhì)量守恒法是守恒法最基本的原理，從宏觀角度來看，是指參加化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量總和與反應(yīng)后生成的各物質(zhì)的質(zhì)量總和是相等的；從微觀角度來看，是指在化學(xué)反應(yīng)前后各元素的種類與數(shù)目保持不變.質(zhì)量守恒在化學(xué)中有很多表現(xiàn)形式和應(yīng)用，比如，溶液在稀釋的過程中溶質(zhì)的質(zhì)量保持不變.在解題過程中，運(yùn)用質(zhì)量守恒定律進(jìn)行有效推斷和計(jì)算，可避免學(xué)生在紛雜的解題背景中尋找關(guān)系式，有利于提高解題準(zhǔn)確度.

例1已知有A、B和C三種物質(zhì)的混合物，其中，A物質(zhì)為30g,B物質(zhì)為15g，C物質(zhì)為10g，現(xiàn)將三種物質(zhì)的混合物放置于一個(gè)密封的容器中進(jìn)行加熱，在化學(xué)反應(yīng)停止后，發(fā)現(xiàn)容器中含有A為26g,B為21g,還有一種物質(zhì)D，求反應(yīng)后生成物與反應(yīng)物之間的質(zhì)量比.

分析由于題目中的物質(zhì)都是以符號(hào)形式出現(xiàn)，所以在求解這道題目時(shí)學(xué)生難以根據(jù)題意列出化學(xué)方程式，從而出現(xiàn)了解題障礙.而運(yùn)用守恒法中的質(zhì)量守恒法就能有效的尋找到本題解題的突破口.根據(jù)質(zhì)量守恒定律，參加化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量總和與反應(yīng)后生成的各物質(zhì)的質(zhì)量總和是相等的.那么，要求化學(xué)反應(yīng)生成物與反應(yīng)物之間的質(zhì)量比，只需要弄清楚化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)物有哪些？生成物有哪些？參加反應(yīng)的各物質(zhì)質(zhì)量及生成的各物質(zhì)質(zhì)量有哪些？

從題目中可以看出，A和C的質(zhì)量有所減少，所以可以判定A和C為反應(yīng)物，其中，A參加反應(yīng)的質(zhì)量為30g-15g=15g,C的質(zhì)量為10g.B和D質(zhì)量有所增加，應(yīng)為化學(xué)反應(yīng)生成物，其中，B的生成質(zhì)量為：26g-15g=11g.由質(zhì)量守恒定律mA+mC=mB+mD，可得：15+10=11+mD，解出結(jié)果是D的質(zhì)量為14g.因此，反應(yīng)中A、B、C、D的質(zhì)量比是15∶11∶10∶14.可見使用質(zhì)量守恒定律，能讓解題步驟變得簡化，有利于提高學(xué)生解題速度.

二、運(yùn)用“電子守恒法”解題

“電子守恒”是化學(xué)學(xué)科“守恒法”中的重要組成部分，在解題中的應(yīng)用非常廣泛，是學(xué)生進(jìn)行高效解題的一把“金鑰匙”.電子守恒是氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)，在同一個(gè)氧化還原反應(yīng)中氧化劑得到的電子總數(shù)與還原劑失去的電子總數(shù)是相等的.這也是“電子守恒法”解題的理論依據(jù).因此，在遇到氧化還原反應(yīng)或電化學(xué)中的計(jì)算問題都能采用電子守恒法進(jìn)行巧解，能大大降低計(jì)算復(fù)雜度.

例2已知在等體積的KI、Na2S、FeBr2三種溶液中分別通入適量氯氣，在同溫同壓下，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)剛好完成時(shí)，三種溶液所消耗的氯氣體積相等，求KI、Na2S、FeBr2三種物質(zhì)的量濃度之比.

分析這道題考察的是學(xué)生對(duì)氧化還原反應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的掌握.根據(jù)摩爾定律，溶質(zhì)的物質(zhì)的量濃度等于溶液的物質(zhì)的量和溶液體積之比，由于三種溶液體積相等，所以要求三種物質(zhì)的量濃度之比，就等于三種溶液的物質(zhì)的量之比.在同溫同壓下，相同體積氯氣對(duì)應(yīng)的物質(zhì)的量也相等.

根據(jù)常規(guī)的解法，是根據(jù)已知條件列出化學(xué)方程式：

由于三個(gè)化學(xué)反應(yīng)中的Cl2量相同，假設(shè)為3個(gè)體積的Cl2,需要6個(gè)體積的KI，3個(gè)Na2S，2個(gè)2FeBr2，所以，得出KI、Na2S、FeBr2三種物質(zhì)的量濃度之比為6∶3∶2.這種求解方法，需要學(xué)生能夠正確的書寫出化學(xué)方程式，不但繁瑣，且一旦方程式錯(cuò)誤，將會(huì)導(dǎo)致結(jié)果錯(cuò)誤.因此，通過分析發(fā)現(xiàn)，題目中的三個(gè)反應(yīng)都為氧化還原反應(yīng)，其中，Cl2為氧化劑，在反應(yīng)過程中得電子，且得電子數(shù)與還原劑失去電子數(shù)相等.根據(jù)“電子守恒法”進(jìn)行求解將會(huì)讓題目變得更加簡單.根據(jù)每個(gè)氧化還原的產(chǎn)物，KI→I2，Na2S→S，F(xiàn)eBr2→FeCl3+Br2，其中，I的化合價(jià)升高1，S的化合價(jià)升高2，F(xiàn)e的化合價(jià)升高3，Br的化合物升高了3.根據(jù)電子守恒定律，1、2、3的最小公倍數(shù)為6，所以，KI、Na2S、FeBr2三種物質(zhì)的量濃度之比為6∶3∶2.在氧化還原中，有元素化合價(jià)的升高，也必然有元素化合價(jià)的降低，在解題時(shí)充分利用電子的得失守恒，能突破傳統(tǒng)的思維定勢(shì)，讓解題思維變得更加豐富.

三、運(yùn)用“電荷守恒法”解題

電荷守恒是指在離子化合物(或溶液)中陰離子所帶負(fù)電荷總數(shù)與陽離子所帶正電荷總數(shù)相等，換而言之是正負(fù)電荷的代數(shù)和為零.利用電荷守恒法進(jìn)行解題的主要依據(jù)是在離子化合物(或溶液)中，無論存在多少種離子，化合物(或溶液)都不顯電性.在題目中已知離子化合物(或溶液)中幾個(gè)離子的量，求其他離子的量時(shí)，采用電荷守恒法進(jìn)行計(jì)算，可從全局入手，有效避免酸堿中和反應(yīng)、鹽類水解中有關(guān)量的問題帶來的繁瑣分析和計(jì)算，使得復(fù)雜計(jì)算化繁為簡，大大提高了解題效率.

例3已知在常溫下，將氫氧化鈉(NaOH)溶液與甲酸(HCOOH)溶液進(jìn)行混合，所得溶液酸堿度為中性，比較此時(shí)溶液中c(HC00-)和c(Na+)大小.

分析這是一道有關(guān)比較溶液中離子濃度大小的題目.若按照常規(guī)的方法進(jìn)行求解，甲酸(HCOOH)屬于一種弱酸，在于氫氧化鈉(NaOH)溶液進(jìn)行混合時(shí)，會(huì)發(fā)生酸堿化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)恰好中和時(shí)，生成的弱酸強(qiáng)堿鹽水會(huì)發(fā)生水解，使得溶液呈堿性.而題目中給出的是溶液呈中性，由此可判斷HCOOH過量，但過量的并不多，因?yàn)檫^多時(shí)，溶液會(huì)呈酸性.在分析后，很多學(xué)生發(fā)現(xiàn)仍然無法比較溶液中c(HCOO-)和c(Na+)的大小關(guān)系.為此，針對(duì)這類比較離子濃度大小的題目，利用電荷守恒法，可使計(jì)算大為簡化.氫氧化鈉(NaOH)溶液與甲酸(HCOOH)溶液混合后，在混合溶液中存在四種離子：Na+、H+、OH-、HCOO-.根據(jù)電荷守恒，有下列關(guān)系：c(Na+)+c(H+)=c(OH-)+c(HCOO-).由于溶液呈中性，即：pH=7，所以有c(H+)=c(OH-)，從而可以求出c(H+)=c(HCOO-).由此可見，利用電荷守恒法進(jìn)行化學(xué)計(jì)算避開了繁雜的運(yùn)算，不用理會(huì)物質(zhì)的化學(xué)式，只需要根據(jù)離子化合物(或溶液)中有幾種離子就能簡便計(jì)算，能達(dá)到事半功倍的解題效果.

綜上所述，在化學(xué)學(xué)習(xí)過程中，會(huì)遇到各式各樣的問題，如何將這些問題進(jìn)行有效歸類，并獲得高效的解決方法至關(guān)重要.在解答化學(xué)題目時(shí)，根據(jù)已知條件和所求問題靈活的運(yùn)用各種守恒定律，一方面可避免復(fù)雜的化學(xué)計(jì)算與分析過程，縮短計(jì)算時(shí)間，另一方面也能解題思路更加清晰，準(zhǔn)確的掌握化學(xué)反應(yīng)過程中參與反應(yīng)物質(zhì)的內(nèi)在關(guān)系，對(duì)提高解題準(zhǔn)確率具有十分重要的意義.