高中化學解題中守恒法的應用

吳凱明

(浙江省義烏中學,浙江 金華 322000)

化學作為一門重要的理科學科,在高考中占有重要的分值比例,通過化學知識學習,能夠培養學生的邏輯分析能力與思考能力.化學學科在生活中廣泛應用,對學生的學習與生活有著重要作用.在高中化學教學中,不僅要求學生掌握化學知識,同時能夠有效利用化學知識.守恒定律是學生必須掌握的定理,守恒法是守恒定律在化學解題中的應用,加深學生對守恒定律的理解,可有效提高學生的解題效率.

1 利用原子守恒,解答化學題

原子守恒法主要是利用化學反應過程中,反應前與反應后其原子種類與個數不變,進行計算或推導的解題方法.在化學解題中,利用原子守恒法,通常不需要利用化學方程式,只需要確定化學反應開始和結束時的粒子關系,根據守恒關系進行計算,得出最終結果[1].

例1在一定的溫度下,1 L的密封容器內,加入1 mol N2和3 mol H2,通過化學反應實現平衡,通過檢測可以得知平衡混合物中N2的物質的量是M,H2的物質的量是N,NH3的物質的量是Q,在溫度不變的情況,改變初始的物質的量,保證M、N、Q不變,N2、H2、NH3具體加入的量用x、y、z表示,需要滿足的條件是:

(1)當x=0,y=0時,則z=____.

(2)當x=0.75 mol時,則y=____,z=____.x、y、z需要滿足的條件是____.

解析在解答此題時,等效平衡是最為常用的解題方式,但是,利用原子守恒,可以更加簡單地解決問題.在容器內增加的物質,需要包含2 mol的N原子和6 mol的H原子,(1)當x=0,y=0時,則z=2;(2)當x=0.75 mol,根據氮原子守恒可以得出z=2 mol-0.75 mol×2=0.5 mol;根據氫原子守恒可以得出y=(6 mol-3×0.5 mol)/2=2.25 mol;(3)根據氮原子守恒可以得出2x+z=2,根據氫原子守恒可以得出2y+3z=6.

2 利用質量守恒,解決化學題

質量守恒是指在化學反應前后,發生化學反應的物質總質量與化學反應后的物質總質量不變.根據質量守恒原理,對化學反應中的化學物質關系進行計算,通過這樣的方式,可以有效、準確地解答各種類型的化學問題.

例2現有一塊鋁鐵合金,為了測量出其中鋁的含量,進行如下的實驗:切下一小塊合金,將其溶入鹽酸中,之后,加入足量的氫氧化鈉溶液,在溶液中沉淀全部變成紅褐色之后,對沉淀物進行過濾,并且在空氣中燃燒,最后得到的紅棕色粉末的質量與原來的合金試樣質量相等,那么合金中鋁的質量分數是( ).

A.25% B. 30% C. 46% D. 70%

解析在解題中,需要明確從合金到紅棕色粉末的過程中鐵元素的轉化,根據題意可以得出合金中鋁的質量與氧化鐵中氧的質量相等,最后利用質量守恒定律進行計算.在整個化學實驗過程中,鐵、鋁兩種元素轉化如圖1所示.

圖1 轉化關系示意圖

根據上述過程分析,可以得出紅棕色的粉末是氧化鐵,根據題意得知,反應之前合金的質量與得到的氧化鐵質量相等.因此,鐵元素在每一步反應中都完全轉化,所以鐵元素的質量守恒,則合金中鋁的質量與氧化鐵中的氧元素質量相等,所以合金中鋁的質量分數是:

因此,正確答案是B.

3 利用得失電子守恒,解答化學題

得失電子守恒通常在氧化還原反應中使用,是根據氧化還原反應中得失電子總數相等,以此進行推導和計算.在氧化還原反應的各種計算中,得失電子守恒廣泛使用,還可以用于解決復雜氧化還原反應中的計算以及配平問題.得失電子只在氧化還原反應中發生,因此,只要在氧化還原反應中才可以使用得失電子守恒,根據題目已知,結合所學知識,對氧化劑、還原劑、氧化產物以及還原產物進行判斷,根據氧化劑或者還原劑在化學反應前后的化合價變化,確定原子或者離子得失電子數量,根據氧化劑得到的電子數和還原劑失去電子數相等進行列式計算[2].

例3羥胺(H2NOH)是一種還原劑,能夠將一些氧化劑還原.現在使用25 mL 0.049 mol/L的羥胺酸性溶液與足量的Fe2(SO4)3溶液在煮沸條件下進行反應,生成的Fe2+恰好可以與24.50 mL 0.02 mol/L的酸性KMnO4溶液發生作用:FeSO4+KMnO4+H2SO4→Fe2(SO4)3+K2SO4+MnSO4+H2O,在上述化學反應中,羥胺的氧化產物是( ).

A.N2B.N2O C.NO D.NO2

解析在此題解答過程中,需要明確氧化劑、還原劑、氧化產物和還原產物,找出氧化劑與還原劑得失電子的情況,根據得失電子守恒列出相應的等式,并且計算得出結果.Fe2(SO4)3被羥胺還原成FeSO4,FeSO4被酸性的KMnO4溶液氧化成Fe2(SO4)3,可以看作沒有參與氧化還原反應,所以可以認為羥胺是還原劑,KMnO4是氧化劑.羥胺中的氮元素在化學反應之前是-1價,設化學反應之后氮元素是n價,所以25.00 mL×0.001 L×0.049 mol/L×(n+1)=24.50 mL×0.001 L×0.020 mol/L×(7-2),求解得出n=1,所以羥胺的氧化產物是N2O,正確答案是B.

4 利用電荷守恒,解答化學題

電荷守恒法是根據化學反應前后,離子所帶的電荷總數沒有變化的原理,進行計算或推導.一般來說,電荷守恒通常在溶液中離子濃度關系的推斷中使用,也可以利用電荷守恒,對化學反應某些量進行計算.在電解質溶液的計算中,通常使用電荷守恒法,溶液中的電荷守恒屬于隱藏條件,需要注意的是,每種陰離子、陽離子所帶的電荷數是該粒子的物質的量與每個粒子所帶電荷數量的乘積[3].在解題中,需要根據題意對化學反應過程進行分析,確定反應后的終點溶液.在終點溶液中,找出陰離子與陽離子,根據題目已知條件,進行各種離子物質的量的計算,利用電荷守恒列出等式,完成計算.

例4將0.1 mol鎂、鋁混合物溶于100 mL 2 mol/L的H2SO4溶液,之后滴入1 mol/L的NaOH溶液,回答下列問題:

(1)如果在NaOH溶液滴入的過程中,沉淀的質量m隨著NaOH溶液的體積V的變化如圖2所示,當V1=160 mL,則金屬粉末中n(Mg)=____mol,V2=____mL.

圖2 沉淀m與NaOH溶液體積V的變化曲線圖

(2)如果在NaOH溶液滴入的過程中,想要使得Mg2+、Al3+剛好完全沉淀,那么滴入的NaOH溶液的體積V=____mL.

(3)如果混合物依然是0.1 mol,其中Mg粉的物質的量分數是a,使用100 mL 2 mol/L的H2SO4溶解混合物,之后,加入450 mL 1 mol/L的NaOH溶液,得到的沉淀中沒有Al(OH)3,滿足此條件的a的取值范圍是____.

高中化學解題中,守恒法是重要的解題方式,能夠簡化解題步驟,提高學生解題效率.因此,在高中化學解題教學中,需要對守恒法進行匯總,幫助學生把握守恒法本質,掌握守恒法的應用方法,快速、準確地解答問題.