整体思维与守恒法结合应用于化学解题中

2014-03-18谢勿玉衷明华

江西化工 2014年1期

谢勿玉衷明华

(韩山师范学院,广东潮州 521041)

整体思维是一种重要的化学思维方法，就是说对一个化学问题不纠缠细枝末节，不着眼于局部，而注重对象之间的内在联系，纵观全局，将需要解决的问题看作一个整体，分析过程前与后两种状态，研究问题的整体形势、整体结构或作某种整体处理，守恒法解题是指挖掘和发现诸多变化和繁杂数据中的不变量等关键条件[如各种守恒关系(质量守恒、原子守恒、电荷守恒等)]来解题。如果我们把整体思维和守恒法联手起来解决化学问题，不但能使化学计算繁琐变简洁，抽象变直观，而且有助于训练思维的敏捷性和灵活性，从而提高化学解题技能。

一、整体思维

整体思维是指从整体观点出发研究问题的一种思想方法，是人们在研究和解决问题时常用的一种思维方法。用此法解化学题，能化繁为简、化难为易，可使许多按常规方法不能解或解法繁琐的问题得到快速简便的解答。

二、守恒法

守恒定律是自然界最重要的基本定律，是构成化学学科的基础。化学反应是原子(包括离子)之间的重新组合，反应前后组成物质的原子个数、物质的质量始终保持不变即保持守恒。所谓守恒，就是指物质变化(化学变化、物理变化)的过程中，某一特定的量固定不变。

守恒法是一种中学化学典型的解题方法，它利用物质变化过程中某一特定的量固定不变来列式解题，可以免去一些复杂的数学计算，大大简化解题过程，某些细微末节，直接抓住其中的特有守恒关系，快速建立计算式，巧妙地解答提高解题速度和正确率，它的优点是用宏观的统揽全局的方式列式，不去探求题目，化学反应的实质是原子间的重新组合，所以一切化学反应都存在着物料平衡，所以物质在参加反应时，化合价升降的总数，反应物和生成物的总质量，各物质中所含的每一种原子的总数，各种微粒所带的电荷总数等，都必须守恒，所以守恒是解计算题时建立等量关系的依据，守恒法往往穿梭在其他方法中同时使用，是各种解题方法的基础，利用守恒法可以很快建立等量关系，达到速算效果，守恒思想贯穿着中学化学始终，守恒法的灵活运用能够简化解题过程，从而快速准确地解答题目。

三、守恒法的具体运用

化学反应是原子(包括离子)之间的重新组合，宏观上表现为伴随化学反应有新物质生成。依据这一特点我们将守恒法分为：质量守恒、电荷守恒、电子守恒、原子守恒等。

(一)电荷守恒法在化学解题中的运用

在离子化合物(或溶液)中，阴离子所带负电荷总数=阳离子所带正电荷总数。根据这一基本内容，它可以根据物质中正负电荷的物质的量，计算出阴、阳离子的物质的量之间的关系式；它也可以根据单位体积溶液中电荷的物质的量求算出阴、阳离子的物质的量浓度之间的关系式。

A.amol B.(a+0.1mol)

C.0.1mol D.(0.1-a)mol

解析：本题涉及两个化学反应，似乎应该根据剩余amolH+来确定反应消耗HNO3的量，然后根据两个化学反应方程式联立方程组求解，最后得到答案，但这样做显得太繁琐。如能突破固有思维，根据“任何电解质溶液均呈电中性”的原则去分析，便可轻而易举地解决问题。

将有关数据代入得：

故正确答案为B。

[例2]把0.02mol/LHAc溶液和0.01mol/LNaOH溶液等体积混合,则混合溶液中微粒浓度关系正确的是( )。

A.c(Ac-)>c(Na+) B.c(HAc)>c(Ac-)

C.2c(H+)=c(HAc-)c(HAc)

D.c(HAc)+c(Ac-)=0.01mol/L

解析：此题实质是0.005mol/LHAc溶液和0.005mol/LNaAc溶液的混合溶液。由电荷守恒关系可得:

c(H+)+c(Na+)=c(Ac-)+c(OH-)①

由物料守恒关系可得:

c(HAc)+c(Ac-)=2c(Na+)=0.01mol/L②

由②知D正确;将①×2+②可得:

2c(H+)=c(Ac-)+2c(OH-)-c(HAc)

C选项错误;再依据HAc的电离程度大于Ac-的水解程度可知:A正确,B错误。

答案：A、D

解析：选项A中要检验溴乙烷中的溴原子，必须先将溴乙烷在NaOH溶液中水解，然后用过量的HNO3综合NaOH溶液，再加入AgNO3。选项B中CH3COOH为弱酸，在离子方程式中不能改写；选项C中离子方程式的得失电子不守恒和电荷不守恒。

答案：D

(二)质量守恒法在化学解题中的运用

从宏观上阐述是:参加反应的各物质的质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和，从微观领域阐述则是：“在一切化学反应中，反应前后原子的种类个数(或数目)、原子质量前后没有变化,这个规律就是质量守恒定律。在中学化学中，质量守恒的规律有很多表现形式和应用，如溶液的稀释或浓缩时溶质的量守恒，物质及其变化过程中的元素守恒等。

[例3]1500oC时，碳酸铵完全分解产生气态混合物，其密度是相同条件下氢气密度( )。

(A)96倍 (B)48倍 (C)12倍 (D)32倍

解析：1500oC时碳酸氢铵分解生成的产物全部都呈气态(NH4)2CO3==2NH3↑+H2O↑+CO2↑，1mol(NH4)2CO3完全分解则可产生4mol气体，则根据质量守恒有m(NH4HCO3)=m(混合物),M(混合物)=m(混)/n(混)=m(NH4HCO3)/n(混)=96g/4mol=24g/mol,

∴D(混合物)/D(H2)=M[(NH4)2CO3]/MH2)=24/2=12故选C。

[例4]在桌上放一定质量的氢氧化钾的固体，要其暴露在空气中，经过分析，这个固体中水的质量分数是2.8%，碳酸钾的质量分数是7.2%。称取这个样品1g加入到50mL浓度是3mol/L盐酸中，中和多余的盐酸用掉浓度为1.07mol/L的氢氧化钾溶液30.8mL，再把中和之后的溶液进行加热，蒸干，最后求出所得固体的质量是多少？

A.6g B.4.5g C．11.175g D.8.45g

分析:如果按照普通的解答技巧来照本宣科的求取本题的最后结果，那么，这个过程就会变得非常繁琐、复杂。通过细致分析已知条件，我们了解到最后所获得的固体就是氯化钾，氯化钾里面的氯元素都来源于我们加进去的盐酸。所以，按照氯元素的守恒规律可以知道，n(KCl)=n(HCl)=0.05L×3mol/L=0.15mol，因此m(KCl)=0.15mol×74.5g/mol=11.175g。因此我们可以知道正确的答案应该是C。

(三)电子守恒法在化学解题中的运用

电子守恒法主要应用于氧化还原反应中，因为在氧化还原反应中伴随着电子的得失，而失去电子总数总是等于得到电子总数，得失电子总数永远遵守守恒定律。

[例5]铜和镁的合金4.6g完全溶于浓硝酸中，若反应中硝酸被还原产生4480mLNO2气体和336mLN2O4气体(都已折算到标准状况)，那么在反应后的溶液中，加入足量的氢氧化钠溶液生成沉淀的质量为( )。

A.9.02g B.8.51g C.8.26g D.7.04g

解析:本题综合运用了几种守恒规律。最后沉淀为氢氧化铜和氢氧化镁。根据电荷守恒，氢氧根所带负电荷物质的量等于铜离子和镁离子所带正电荷总物质的量，n(OH-)=2n(Cu2+)+2n(Mg2+)，铜离子和镁离子所带正电荷总物质的量等于合金失去电子总物质的量。据电子守恒，反应过程中合金失去电子总数等于硝酸得到电子总数。转移电子总物质的量为硝酸被还原为NO2、N2O4所转移电子物质的量，1×4.48L/22.4L/mol+2×0.336L/22.4L/mol=0.23mol，即氢氧根物质的量为0.23mol。

沉淀的质量=合金质量+氢氧根质量=4.6g+0.23mol×17g/mol=8.51g

答案为B。

[例6]把50.00mL 0.10 mol/L的羟氨酸性溶液，和充足的Fe2(SO4)3在煮沸的条件下进行反应，生成的二价铁离子正好被50.0mL 0.04mol/L的酸性高锰酸钾溶液发生氧化反应。在此反应中，求羟氨的氧化产物是下列哪种( )。

A．NO2B．N2O C．NO D．N2

[解析]羟氨被三价铁离子所氧化，二价铁离子又被酸性高锰酸钾溶液氧化。总的来说，羟氨失去的电子全部被高锰酸钾所获取。羟氨酸中的N为-1价，若羟氨的氧化产物中N为X价，那么依据电子守恒法可得：

[X-(-1)]X50.00mL×0.10mol/L=(7-2)X50.00mL×0.04mol/L。

解得：X=1，所以答案为B。