新高考化學(xué)解題中守恒法的應(yīng)用研究

摘"要：守恒思想是一種重要的化學(xué)思維方式，守恒法是學(xué)生解題行之有效的重要方法。解題中有效運(yùn)用化學(xué)變化中的特定量不變的特點(diǎn)進(jìn)行問題分析，可以有效地化繁為簡，快速而準(zhǔn)確地解決問題。高考是檢測教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)的重要手段，因此分析研究守恒法在高考試解題中的應(yīng)用至關(guān)重要。文章以2024年高考化學(xué)典型試題為例，研究新高考化學(xué)解題中守恒法的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：新高考化學(xué)；解題；守恒法；應(yīng)用研究

中圖分類號：G633.8"""文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"""文章編號：1673-8918（2024）46-0140-03

作者簡介：賈丕軍（1969～），男，漢族，湖南常德人，常德市第三中學(xué)，研究方向：高中化學(xué)教學(xué)。

高中學(xué)業(yè)水平考試命題建議的命題原則中指出：“應(yīng)結(jié)合命題宗旨和目標(biāo)，根據(jù)測試任務(wù)、情景的需要，系統(tǒng)梳理解決問題所要運(yùn)用的化學(xué)知識與方法，注重考查學(xué)生靈活運(yùn)用結(jié)構(gòu)化知識解決問題的能力。”有了扎實(shí)的學(xué)科知識基礎(chǔ)，好的解決問題的方法，必然會(huì)提升解決問題能力。守恒思想是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的基本思想，守恒思想是一種重要的化學(xué)思維方式，守恒法是學(xué)生解題行之有效的重要方法。在解題過程中，有效運(yùn)用化學(xué)變化中的特定量不變的特點(diǎn)進(jìn)行問題分析，可以有效地化繁為簡，快速而準(zhǔn)確地解決問題。

化學(xué)變化中的守恒法主要包括質(zhì)量守恒、得失電子守恒、電荷守恒、能量守恒等。高考中，每年總有不少的考題運(yùn)用守恒法并輔以簡單的數(shù)學(xué)處理來解題，可以達(dá)到化繁為簡、化難為易、節(jié)省時(shí)間，從而提高解題效率。高考是檢測教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)的重要手段，因此研究守恒法在高考試題解題中的應(yīng)用至關(guān)重要。文章以2024年高考化學(xué)典型試題為例，研究新高考化學(xué)解題中守恒法的應(yīng)用。

一、質(zhì)量守恒

從宏觀角度看，質(zhì)量守恒就是參加反應(yīng)的各物質(zhì)質(zhì)量之和等于反應(yīng)后各物質(zhì)的質(zhì)量之和。從元素角度分析，化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量不變是因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)前后每種元素種類和質(zhì)量均不發(fā)生變化，即元素守恒；從微觀原子角度分析，反應(yīng)前后每種元素原子的種類、數(shù)目、質(zhì)量不變，即原子守恒。所以元素守恒和原子守恒是質(zhì)量守恒的延伸，從本質(zhì)上說也實(shí)屬質(zhì)量守恒。質(zhì)量守恒是守恒法最基礎(chǔ)的解題原理。“能從質(zhì)量守恒，并運(yùn)用動(dòng)態(tài)平衡觀念看待和分析化學(xué)變化”，是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)“變化觀念與平衡思想”對素養(yǎng)水平的要求。在化學(xué)解題中，利用質(zhì)量守恒，通常不需要分析化學(xué)反應(yīng)的途徑變化，反應(yīng)細(xì)節(jié)，往往只需要分析反應(yīng)的始態(tài)、終態(tài)粒子質(zhì)量和數(shù)量關(guān)系即可完成對題的分析與解答。

【例1】"［2024年高考江蘇卷14題（3）②］

將8.84mgNd（OH）CO3（摩爾質(zhì)量為221g·mol-1）在氮?dú)夥諊斜簾?50～600℃時(shí)剩余固體質(zhì)量7.60mg。所得固體產(chǎn)物可表示為NdaOb（CO3）c，通過以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定該產(chǎn)物中n（Nd3+）∶n（CO2-3）的比"""。

思路點(diǎn)撥"此題Nd（OH）CO3分解所得固體產(chǎn)物NdaOb（CO3）c中a、b、c的不確定，如果想通過化學(xué)反應(yīng)方程關(guān)系式法去解答，就會(huì)陷入無法解答境地。但此題運(yùn)用質(zhì)量守恒解答，根據(jù)反應(yīng)前后每種元素原子的種類、數(shù)目、質(zhì)量不變的原理就很容易解決問題了。第一步，分析原子的去向，找出守恒的原子；第二步，找出守恒原子的存在形式，并寫出它們的存在形式；第三步，利用原子守恒進(jìn)行計(jì)算。

試題解析"由題意可知，Nd（OH）CO3分解后Nd3+全部在產(chǎn)物中，由于堿式鹽在受熱分解時(shí)易變?yōu)檎}，氫氧化物分解得到氧化物和H2O，碳酸鹽分解得到氧化物和CO2，可以推測固體變?yōu)镹daOb（CO3）c時(shí)失去質(zhì)量是生成CO2和H2O的質(zhì)量。根據(jù)H元素和C元素守恒，Nd（OH）CO3分解時(shí)H全部生成了H2O，C元素一部分生成了CO2。Nd（OH）CO3的物質(zhì)的量為n［Nd（OH）CO3］=8.84×10-3g÷221g·mol-1=4×10-5mol，因此，n（Nd3+）=n（CO2-3）=4×10-5mol。由題意可知：550～600℃時(shí)剩余固體的質(zhì)量為7.60mg，固體減少的質(zhì)量為1.24mg，所以生成CO2和H2O的質(zhì)量之和為1.24mg。根據(jù)H元素守恒，n（H）=4×10-5mol，所以m（H2O）=2×10-5mol×18×103mg·mol-1=0.36mg，則生成CO2的質(zhì)量為1.24mg-0.36mg=0.88mg，則生成CO2的物質(zhì)的量為m（CO2）=2×10-5mol，由C元素守恒可知，分解后剩余的CO2-3的物質(zhì)的量為4×10-5mol-2×10-5mol=2×10-5mol，因此可以確定該產(chǎn)物中n（Nd3+）∶n（CO2-3）=4×10-5mol∶2×10-5mol=2∶1。

二、得失電子守恒

得失電子守恒即氧化還原反應(yīng)中氧化劑得電子總數(shù)等于還原劑失電子總數(shù)。利用得失電子守恒，可以有效準(zhǔn)確解答氧化還原反應(yīng)計(jì)算、配平以及電化學(xué)的電極反應(yīng)式書寫、計(jì)算等。

【例2】"（2024年高考江蘇卷選擇題12題D選項(xiàng)）

室溫下，通過下列實(shí)驗(yàn)探究SO2的性質(zhì)。已知Ka1（H2SO4）=1.3×10-2，Ka1（H2SO4）=6.2×10-8。

實(shí)驗(yàn)1：將SO2氣體通入水中，測得溶液pH=3。

實(shí)驗(yàn)2：將SO2氣體通入0.1mol/LNaOH溶液中，當(dāng)溶液pH=4時(shí)停止通氣。

實(shí)驗(yàn)3：將SO2氣體通入0.1mol/L酸性KMnO4溶液中，當(dāng)溶液恰好褪色時(shí)停止通氣。

下列說法正確的是（"）（A、B、C選項(xiàng)略）

D.實(shí)驗(yàn)3所得溶液中：c（SO2-4）gt;c（Mn2+）

思維點(diǎn)撥"D選項(xiàng)是SO2氣體通入0.1mol/L酸性KMnO4溶液中，發(fā)生的是氧化還原反應(yīng)，此選項(xiàng)判斷溶液中氧化產(chǎn)物SO2-4和還原反應(yīng)產(chǎn)物Mn2+的濃度相對大小。很明顯，此題要根據(jù)氧化還原反應(yīng)的原理進(jìn)行分析判斷。第一步，明確氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物；第二步，找出氧化劑與還原劑得失電子情況；第三步，根據(jù)得失電子守恒（化合價(jià)升降數(shù)相等）列出等式計(jì)算或配平得出結(jié)果。

試題解析"SO2與KMnO4發(fā)生的氧化還原反應(yīng)中SO2是還原劑，1molSO2失去2mol電子被氧化為SO2-4；KMnO4是氧化劑，1molKMnO4得到5mol電子被還原為Mn2+。根據(jù)氧化還原反應(yīng)得失電子守恒可以列出等式：n（SO2-4）×2=n（Mn2+）×5，解得n（SO2-4）∶n（Mn2+）=5∶2，所以c（SO2-4）gt;c（Mn2+），D選項(xiàng)正確。此選項(xiàng)也可以根據(jù)氧化還原反應(yīng)得失電子守恒，化合價(jià)升降配平書寫實(shí)驗(yàn)3的離子反應(yīng)方程式：5SO2+2MnO-4+2H2O5SO2-4+2Mn2++4H+，從書寫的離子方程式中很容易得出c（SO2-4）gt;c（Mn2+），故選項(xiàng)D正確。

三、電荷守恒

電解質(zhì)溶液中陽離子所帶正電荷總數(shù)與陰離子所帶負(fù)電荷總數(shù)相等，即電荷守恒，溶液呈電中性。電荷守恒法解題時(shí)，不需考慮過多細(xì)節(jié)。只需確定溶液中存在的陰陽離子情況，然后根據(jù)電荷守恒式計(jì)算即可快速、準(zhǔn)確解答。

【例3】"（2024年高考安徽卷選擇題13題A選項(xiàng)）

環(huán)境保護(hù)工程師研究利用Na2S、FeS和H2S處理水樣中的Cd2+。已知25℃時(shí)，H2S飽和溶液濃度約為0.1mol·L-1，Ka1（H2S）=10-6.97，Ka2（H2S）=10-12.90，Ksp（FeS）=10-17.20，Ksp（CdS）=10-26.10。下列說法錯(cuò)誤的是（"）（B、C、D選項(xiàng)略）

A.Na2S溶液中：c（H+）+c（Na+）=c（OH-）+c（HS-）+2c（S2-）

思維點(diǎn)撥"第一步根據(jù)電離、水解分析溶液中存在的陰陽離子；第二步，根據(jù)各離子所帶正負(fù)電荷列出電荷守恒關(guān)系。

試題解析"Na2S溶液中存在如下電離、水解過程：Na2S2Na++S2-；H2OH++OH-；S2-+H2OHS-+OH-；HS-+H2OH2S+OH-。Na2S溶液中有5種離子，分別是H+、Na+、OH-、HS-、S2-，溶液是電中性的，存在電荷守恒，可表示為c（H+）+c（Na+）=c（OH-）+c（HS-）+2c（S2-），故選項(xiàng)A正確。

四、能量守恒

化學(xué)反應(yīng)中能量發(fā)生變化，但其總能量是恒定不變的，高中化學(xué)主要考查的是蓋斯定律計(jì)算反應(yīng)熱。

【例4】"［2024年高考全國甲卷28題（1）］

甲烷轉(zhuǎn)化為多碳化合物具有重要意義。一種將甲烷溴化再偶聯(lián)為丙烯（C3H6）的研究所獲得的部分?jǐn)?shù)據(jù)如下。回答下列問題：

（1）已知如下熱化學(xué)方程式：

①CH4（g）+Br2（g）CH3Br（g）+HBr（g）"△H1=-29kJ·mol-1

②3CH3Br（g）C3H6（g）+3HBr（g）"△H2=+20kJ·mol-1

計(jì)算反應(yīng)3CH4（g）+3Br2（g）C3H6（g）+6HBr（g）的△H3="""kJ·mol-1。

思維點(diǎn)撥"本題考查的是通過蓋斯定律計(jì)算反應(yīng)熱。第一步，根據(jù)分析目標(biāo)熱化學(xué)方程式的反應(yīng)物、生成物，與已知熱化學(xué)方程式建立相關(guān)聯(lián)系；第二步，調(diào)整好目標(biāo)熱化學(xué)方程式和已知熱化學(xué)方程式的計(jì)量數(shù)，△H也相應(yīng)進(jìn)行變化；第三步，根據(jù)“同側(cè)相減，異側(cè)相加”規(guī)律，加減運(yùn)算對不需要的物質(zhì)進(jìn)行加減“消元”，△H也進(jìn)行相應(yīng)加減；第四步，檢查得出的熱化學(xué)方程式與目標(biāo)熱化學(xué)方程式計(jì)量數(shù)是否一致，不一致就需調(diào)整計(jì)量數(shù)，△H也相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。

試題解析"按照蓋斯定律解題過程，目標(biāo)熱化學(xué)方程式3CH4（g）+Br2（g）C3H6（g）+HBr（g）中CH4（g）的計(jì)量數(shù)是3，所以需要將已知熱化學(xué)方程式①的計(jì)量數(shù)乘以3調(diào)整為3CH4（g）+3Br2（g）3CH3Br（g）+3HBr（g）"△H=-87kJ·mol-1。通過對熱化學(xué)方程式①、②分析，熱化學(xué)方程式①的生成物和②的反應(yīng)物CH3Br（g）是目標(biāo)熱化學(xué)方程式中沒有的，而CH3Br（g）在熱化學(xué)方程式①、②中處于“異側(cè)”，熱化學(xué)方程式①的計(jì)量數(shù)調(diào)整后與熱化學(xué)方程式②相加正好消除CH3Br（g）得到目標(biāo)熱化學(xué)方程式，故目標(biāo)熱化學(xué)方程式的△H3=3△H1+△H2=-87kJ·mol-1+20kJ·mol-1=+67kJ·mol-1。

五、多類型守恒法綜合

高中化學(xué)不少題是綜合性的，解題時(shí)需要將幾種類型守恒法結(jié)合在一起分析才能快速準(zhǔn)確解決問題。

【例5】"（2024年高考湖南卷選擇題13題C選項(xiàng)）

常溫下Ka（HCOOH）=1.8×10-4，向20mL0.10mol·L-1NaOH溶液中緩慢滴入相同濃度的HCOOH溶液。混合溶液中，某兩種離子的濃度隨加入HCOOH溶液體積的變化關(guān)系如圖所示，下列說法錯(cuò)誤的是（"）。（A、B、D選項(xiàng)略）

離子濃度與HCOOH溶液體積的變化關(guān)系圖

C.當(dāng)V（HCOOH）=10mL時(shí)，c（OH-）=c（H+）+2c（HCOOH）+c（HCOO-）

思維點(diǎn)撥"第一步，根據(jù)反應(yīng)物的量分析溶液中溶質(zhì)；第二步，結(jié)合電離、水解分析溶液中存在的微觀粒子；第三步，根據(jù)選項(xiàng)考查內(nèi)容分析確定關(guān)聯(lián)的考點(diǎn)知識及解題方法；第四步，利用電荷守恒和質(zhì)量守恒（元素守恒）分析判斷。

試題解析"首先分析向20mol·L-1溶液中緩慢滴入相同濃度的HCOOH溶液發(fā)生的化學(xué)反HCOOH+NaOHHCOONa+H2O，當(dāng)V（HCOOH）=10mL時(shí)，溶液中的溶質(zhì)為c（HCOOH）∶c（NaOH）=1∶1。再分析C選項(xiàng)中的等量關(guān)系中涉及陰陽離子，說明此等量關(guān)系與溶液中電荷守恒有關(guān)；同時(shí)又發(fā)現(xiàn)等量關(guān)系中涉及HCOOH，說明此等量關(guān)系與溶液中元素質(zhì)量守恒（原子守恒）有關(guān)。滴入10mLHCOOH溶液時(shí)，溶液中陰陽離子為Na+、HCOO-、H+、OH-，根據(jù)電荷守衡可得等量關(guān)系：c（Na+）+c（H+）=c（HCOO-）+c（OH-）；滴入10mLHCOOH溶液時(shí)，根據(jù)元素質(zhì)量守恒（原子守恒）分析：n（Na+）=0.02L×0.10mol·L-1=0.002mol，n（HCOO-）+n（HCOOH）=0.01L×0.10mol·L-1=0.002mol，根據(jù)量的關(guān)系可得等量關(guān)系：n（Na+）=2n（HCOO-）+2n（HCOOH）。再綜合電荷守恒和元素守恒（原子守恒）等量關(guān)系消除C選項(xiàng)沒有的Na+就得到了C選項(xiàng)中的等量關(guān)系，故選項(xiàng)C正確。

六、結(jié)論

綜上所知，化學(xué)高考試題中，有不少考題與化學(xué)守恒關(guān)聯(lián)，考查形式多樣。守恒法是高中化學(xué)解題中的解題方法，能夠簡化解題步驟，有效提高解題速度和準(zhǔn)確率。所以在高中化學(xué)解題教學(xué)中，教師需要加強(qiáng)守恒思想的滲透，讓學(xué)生能夠準(zhǔn)確地掌握守恒法的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生把握守恒法的本質(zhì)，掌握守恒法的使用方法，借助守恒法處理化學(xué)問題，將守恒法融入化學(xué)題的解題中，提升學(xué)生的解題效率，全面提升學(xué)生的化學(xué)解題能力。

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