例谈守恒思想在化学计算中的应用

2020-11-04蔡娟丽

科学导报·学术 2020年83期

关键词：方法技巧

蔡娟丽

【摘要】守恒是解决化学问题的中心思想，相应地，守恒法是解决化学问题的一种极其重要的方法与技巧，运用守恒，其特点是抓住有关变化的始态与终态，不纠缠过程细节，利用其中某种不变量建立关系式，从而简化思路，快速解题。

【关键词】化学计算;守恒;方法技巧

一、质量守恒

化学反应是原子之间的重新组合，反应前后组成物质的原子个数保持不变，即化学反应中反应物总质量等于生成物总质量，此即质量守恒。又因为同种元素原子的物质的量（或原子数）在反应前后不变，又称元素守恒、原子守恒。

1.物质质量守恒：在化学反应过程中找准反应前后的质量关系，利用不变量可快速求解。

【例1】在臭氧发生器中装入100 mL O2，经反应3O22O3，最后氣体体积变为95 mL（体积均为标准状况下测定），则反应后混合气体的密度为 g·L-1。

解析：根据质量守恒定律反应前后容器中气体的质量不变，等于反应前100 mL O2的质量。则反应后混合气体的密度为：ρ=[（0.1L÷22.4L·mol-1）×32 g·mol-1]÷0.095 L≈1.5 g·L-1。答案为1.5。

2.原子守恒：抓住初始反应物和最终生成物中某一原子（或原子团）不变，找到等量关系进行求解。

【例2】有一在空气中暴露过的KOH固体，经分析知其内含水7.12%，K2CO32.88%，KOH90%，若将此样品1 g加入到46.00 mL的1 mol·L-1盐酸中，过量的酸再用1.07 mol·L-1KOH溶液中和，蒸发中和后的溶液可得固体克。

解析：此题中发生的反应很多，但仔细分析可知：蒸发溶液后所得固体为KCl，其Cl-全部来自于盐酸中的Cl-，在整个过程中Cl-守恒。

即n（KCl）=n（HCl）;故m（KCl）=0.046 L×1 mol·L-1×74.5 g·mol-1=3.427 g。答案为3.427。

二、电子守恒

氧化还原反应中，氧化剂得电子（化合价降低）总数等于还原剂失电子（化合价升高）总数，得失电子守恒（化合价升降相等）。在解题中找到最终化合价升高的和降低的物质，列等式求解。

【例3】 1.92 g铜投入到一定量的浓硝酸中，铜完全溶解，用试管收集生成气体颜色越来越浅，共收集到672 mL气体（标准状况下），将盛有此气体的试管倒扣在水中，通入氧气恰好使气体完全溶解在水中，则需要标准状况下的氧气体积为（）。

A.504 mL B.168 mL C.336 mL D.224 mL

解析：分析各物质的始态和终态，Cu的化合价升高，始态时是硝酸、终态时还是硝酸，所以硝酸的化合价没有变化，化合价降低的是O2，Cu共失去了（1.92g÷32 g·mol-1）×2 =0.06 mol的电子，根据得失电子守恒，那么V（O2）÷22.4 mol·L-1×4 =0.06 mol，故V（O2）=0.336 L。答案为C。

三、电荷守恒

指阳离子所带的电荷总数（各种阳离子所带电荷数与阳离子物质的量的乘积的代数和）与阴离子所带的电荷总数（各种阴离子所带电荷数与阴离子物质的量的乘积的代数和）在数值上相等，主要在以下两个方面应用。

1.离子方程式中，常用于离子方程式正误判断及书写。

【例4】在一定条件下，RO3n-与I-发生反应的离子方程式如下：RO3n-+6I-+6H+=R-+3I2+3H2O，R中的n为。

解析：解法①，依据得失电子守恒，I化合价总共升高6，所以R降低6价变为-1价，所以R 中的R元素的化合价是+5，n为1;解法②依据电荷守恒，反应后电荷总数为-1，所以-n+（-1）×6+（+1）×6=-1，n为1。答案：1。

2.溶液呈电中性

【例5】将NaCl和NaBr混合物mg溶于水后，向所得溶液中通入足量Cl2，反应后将溶液蒸干得固体（m-2）g，则通Cl2前原溶液中Na+、Cl-、Br-的物质的量之比不可能为（）

A.4：3：1 B.3：3：1 C.3：2：1 D.3：1：2

解析：如果读题之后马上按已知数据列式计算，实际上陷入命题者设置的圈套。通过虚设数据，本题貌似计算题，实际上考查的是电荷守恒原理。即溶液中阳离子所带的正电荷等于阴离子所带的负电荷：n（Na+）=n（Cl-）+n（Br-），只有选项B不符合此关系。立即可得答案为B。

四、物料守恒

电解质溶液中某一组分的原始浓度等于它在溶液中各种存在形式的浓度之和，它实质上是元素守恒。

【例6】下列溶液中微粒的物质的量浓度关系正确的是（）。