守恒观在高中化学计算教学中的建模初探

郭朝明

摘 要：积极培养学生的守恒意识，构建守恒观，运用守恒法，快速、准确地帮助学生解决化学问题，提升化学学科素养，提高化学问题的解题能力。化学学科中的守恒主要包括质量守恒、物料守恒、得失电子守恒和电荷守恒。

关键词：化学教学 守恒观 方法和技巧 建模

发展心理学认为，守恒是指物体的形式并未改变，但途径具有同一性、补偿性和可逆性。高中化学计算教学，知识难度较大，学生往往难于掌握。守恒观的构建和应用，能很好地帮助学生开启思维，快速找寻知识突破点，实现有效教学并提高学习效率。

一、课堂教学中守恒意识的培养

高中学生在学习化学计算知识时常感到难度大，思维打不开，容易产生畏难情绪。教师在化学计算教学过程中应有意识地培养学生守恒意识，训练守恒思维，在许多计算试题中，若能巧妙运用守恒法，常可达到事半功倍的效果。长期坚持使用守恒法解题，有助于形成高效思想，提高学习效率。

比如，质量守恒意识的培养。质量守恒定律是指化学反应前后各物质的质量总和相等。其本质是：化学反应前后，各元素原子的种类和数目没有改变。质量守恒是初三化学的重点，高中阶段一般要求学生能快速灵活运用。质量守恒运用于化学计算时，题意往往不是单一的化学反应，因此，解题时应从思维上跳出题目，宏观把握题意，再结合守恒思想以达成解决问题的目的。

例1：有一块铝铁合金溶于足量盐酸中，再用过量的NaOH溶液处理，将产生的沉淀过滤、洗涤、干燥、灼烧后，剩余固体粉末的质量与原合金质量恰好相等，则合金中铝的质量分数是多少？

分析：铝铁合金溶于足量盐酸时，两种金属全部可溶解，溶解后分别生成Al和Fe，再用过量的NaOH溶液处理，则有Al全部转化为[Al（OH）]，Fe全部转化为Fe（OH）白色沉淀，经过滤、洗涤、干燥、灼烧等过程，Fe（OH）白色沉淀迅速变为红褐色的Fe（OH）沉淀，而后灼烧分解得到FeO固体粉末。相关方程式为Al+ 4OH=[Al（OH）]，Fe+ 2OH=Fe（OH）↓，4Fe（OH）+O+2HO=4Fe（OH），2Fe（OH）= FeO+3HO（加热）。因剩余固体粉末的质量与原合金质量恰好相等，且合金中的Fe元素全部转至剩余固体粉末（FeO），所以合金中铝的质量即与固体粉末中氧元素的质量相等，即铝的质量分数等于固体粉末中氧元素的质量分数。则有3×16/（2×56+3×16）=0.3 ，答案：30%。

例2：将20.6g由Fe、Al、Cu组成的合金溶于足量的NaOH溶液中，合金质量减少了5.4g。另取等质量的合金溶于过量稀硝酸中，生成了8.96LNO（标准状况），向反应后的溶液中加入适量NaOH溶液，使Fe、Al、Cu恰好完全转化为沉淀，则沉淀的质量为（ ）

A.29.8g  B.35.2g  C.41.0g  D.47.2g

分析：本题是金属元素与酸或碱反应的性质的应用。可有多种解法。用电量守恒法，快速简便。依题意知，三种金属与稀硝酸反应时，硝酸过量，则三种金属失去的电子数之和与硝酸被还原成NO时所获得的电子总数相等，另，金属失电子后转变成金属阳离子，每失1mol电子，在金属阳离子转化成沉淀时要结合1mol的OH，因此，由原先合金最终转化为沉淀固体所增加的质量即为增加的OH质量，而增加的OH物质的量又等于转移的电子总数，即n（OH）=n（电子）=8.96L/22.4L·mol×3=1.2mol，最后沉淀的质量为1.2mol×17g/mol+20.6g=41.0g，答案：C。

二、问题解决中守恒方法的应用

守恒法是中学化学计算中的一种很重要的方法和技巧，其主要特点是抓住有关变化的始态和终态，利用某种不变量建立关系式，从而达到简化思路，快速解题。应用化学守恒方法解决相关问题，主要依据是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守恒和质量守恒，氧化-还原反应中还存在电子得失守恒与电量守恒，化合物及电解质溶液中因为阴阳离子电荷数守恒，所以呈电中性。若在化学计算中能够巧妙地运用守恒的思想，常常能够避繁就简，达到事半功倍的效果。在具体解题中，可应用单一守恒原理，也可综合运用多种守恒。

例4：镁带在空气中燃烧生成氧化镁和氮化镁。将燃烧后的产物溶解在60 mL 2.0 mol/L的盐酸中，再用20 mL 0.5 mol/L NaOH溶液恰好中和多余的盐酸，最后在此溶液中加入过量的碱，把氨全部蒸出來，用稀盐酸吸收，稀盐酸增重0.17 g。求镁带的质量为多少。

分析：此题可单一应用电荷守恒，即根据电解质溶液中，阴阳离子所带电荷数相等，整个体系仍呈电中性。依题意，知2n（Mg）+n（NH）+n（Na）=n（Cl），代入数据：2n（Mg）+0.17/17+0.5×0.02=2.0×0.06，解得：n（Mg）=0.05 mol，m（Mg）=1.2g。

依题意知，本题至少有六个反应，按常规解法非常复杂，计算容易出错。若根据质量守恒思想，忽略各反应的过程，抓住反应结果，即可知反应后的溶液只是NaSO溶液，再根据电荷守恒，溶液中Na所带正电荷数等于SO所带负电荷数，再结合物料守恒，Na的物质的量等于NaOH的物质的量，SO的物质的量等于HSO的物质的量。则有， C（HSO）×0.5L×2=2mol/L×0.5L，所以C（HSO）=1mol/L。

总之，守恒观的构建，是教学理念的落实，是学习思维的成长，是学生学习能力的提升。守恒法的巧妙应用，能大大提高学生的自信心，获得学习的满足感，激发学生的创造欲望和智慧潜能，充分发挥学生内在能动力，有利于培养学生发现的技巧，提高学习效率，促进课堂教学的有效性。