守恒法是高中化學(xué)計算的“利器”
——以硝酸和金屬反應(yīng)的計算為例

沈紹波

(福建省浦城第一中學(xué) 353400)

守恒，現(xiàn)代漢語詞典中解釋為(數(shù)值)保持恒定.化學(xué)中的守恒指事物在運(yùn)動變化過程中，物質(zhì)和能量總是守恒的.具體表現(xiàn)在反應(yīng)前后元素原子的種類和數(shù)目不變、電荷總數(shù)不變、得失電子相等……化學(xué)守恒法關(guān)注變化的始態(tài)和終態(tài)，不糾結(jié)過程細(xì)節(jié)，利用不變的量建立物質(zhì)之間的比例關(guān)系，化繁為簡，從而達(dá)到快速解題的目的.守恒法是中學(xué)化學(xué)既常見又經(jīng)典的解題方法，是各種解題方法的基礎(chǔ)，穿插在其它方法中同時使用，是高中化學(xué)計算的“利器”.

在高中化學(xué)計算題中，常考的守恒有以下幾種.

一、元素守恒

元素守恒即化學(xué)反應(yīng)前后各元素的種類不變，各元素的原子個數(shù)不變.原子守恒的涵義與元素守恒相似，即反應(yīng)前后原子的種類和數(shù)目都不變，這也是反應(yīng)前后質(zhì)量不變(質(zhì)量守恒)的根本原因.因此，也可以認(rèn)為元素守恒包含了原子守恒，是質(zhì)量守恒的根本原因.計算時經(jīng)常通過找出關(guān)聯(lián)物質(zhì)的對應(yīng)關(guān)系，列出關(guān)系式，列比例式求解.

(1)足量稀硝酸(以銅為例):

n(反應(yīng)HNO3)=n(被還原HNO3)+n(未被還原HNO3)=n(NO) +2n(Cu2+)

(2)足量濃硝酸(以銅為例):

n(反應(yīng)HNO3)=n(被還原HNO3)+n(未被還原HNO3)=n(NO2) +2n(Cu2+)

(3)一定量濃硝酸(以銅為例):

n(反應(yīng)HNO3)=n(被還原HNO3)+n(未被還原HNO3)=n(NO2) +n(NO)+2n(Cu2+)

(4)未知濃度的硝酸(以銅為例):

n(反應(yīng)HNO3)=n(被還原HNO3)+n(未被還原HNO3)=n(氣體)+2n(Cu2+)

例119.2 g銅跟適量的濃硝酸反應(yīng),銅全部反應(yīng)后,共收集到氣體11.2L(標(biāo)準(zhǔn)狀況),反應(yīng)消耗的HNO3的物質(zhì)的量是( ).

A.0.5mol B.0.8mol

C.1.1mol D.1.2mol

解析此題很容易掉入陷阱，認(rèn)為氣體只有NO2.銅跟濃硝酸反應(yīng)過程分為兩步：第一步是銅和濃硝酸反應(yīng)產(chǎn)生NO2，第二步是濃硝酸反應(yīng)過程中慢慢變稀，銅和稀硝酸反應(yīng)產(chǎn)生NO，若用傳統(tǒng)方法寫出兩個化學(xué)方程式，列出方程式求解很麻煩.若利用原子守恒n(反應(yīng)HNO3)=n(被還原HNO3)+n(未被還原HNO3)=n(NO2)+n(NO)+2n(Cu2+)即可化繁為簡，很快得出答案.

n(NO2) +n(NO)=11.4L/22.4L·mol-1=0.5 mol

n(Cu2+)=n(Cu)=19.2 g/64g ·mol-1=0.3mol

n(反應(yīng)HNO3)=0.5+0.3×2=1.1 mol

故答案選C.

二、電子守恒

電子守恒即指在氧化還原反應(yīng)中，氧化劑得到的電子數(shù)等于還原劑失去的電子數(shù).電子守恒包括化合價守恒，即氧化劑化合價降低的總數(shù)等于還原劑化合價升高的總數(shù).兩者的基本性質(zhì)是一樣的.應(yīng)用于氧化還原反應(yīng)的計算，可求出參與氧化還原反應(yīng)的物質(zhì)的物質(zhì)的量和質(zhì)量等，也經(jīng)常用于電解池中的計算.

硝酸與金屬反應(yīng)屬于氧化還原反應(yīng)，金屬失去的電子數(shù)等于氮原子得到的電子數(shù).

例2將14 g某銅銀合金與足量的bmol·L-1的HNO3充分反應(yīng)后，放出的氣體與標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氧氣1.12L混合，通入水中恰好完全被吸收，此合金銅的質(zhì)量是( ).

A．3.2 g B．4.8 g C．6.4 g D．9.6 g

解析銅銀都被硝酸氧化，因為濃度未知，生成氣體未知，但是與氧氣混合再通入水中完全吸收生成的一定是硝酸，故氧氣得到的電子數(shù)等于銅銀合金失去的電子數(shù).

n(O2)=1.12L/22.4L ·mol-1=0.05 mol

根據(jù)質(zhì)量守恒列方程：

n(Cu)×64+n(Ag)×108=14

根據(jù)電子守恒列方程：

n(Cu)×2+n(Ag)×1=0.05×4

列方程組解得：

n(Cu)=0.05 mol

n(Ag)=0.1 mol

m(Cu)=0.025×64=3.2g

故答案選A.

三、電荷守恒

電荷守恒即對任一溶液而言，溶液是電中性的，即陽離子所帶正電荷等于陰離子所帶負(fù)電荷，離子方程式兩邊離子所帶電荷數(shù)相等.在計算時列出相應(yīng)的等式求解，也可用于離子方程式的配平.

硝酸與金屬反應(yīng)溶液中存在電荷守恒：

若溶液呈酸性，n(OH-) 較少，忽略不計，則

A.0.5amol B.(a+0.2)mol

C.2amol D.(0.2-a)mol

故答案選B.

總之，守恒法是高中化學(xué)計算的“利器”，在解題時從大局出發(fā)，善于觀察，化繁為簡，巧妙答題，能降低計算的難度，提高計算的速度.因此，需要學(xué)生在解題過程中熟練掌握，才能在關(guān)鍵時候快速準(zhǔn)確求解，提高解題效率.