第34届中国化学奥林匹克竞赛试题解法赏析——以试题1-2为例

昆明学院化学化工学院（650214）张 吉 杨艳华 王建坤 李艳妮

云南迪庆藏族自治州民族中学（674499）杨春香

云南红河州泸西县白水镇初级中学（652404）朱薇丽

历经30 多年的中国化学奥林匹克竞赛已逐渐成为全国重要的知识性竞赛项目，这项赛事不仅为中学生提供了一个了解现代化学科研和科技前沿信息的渠道，还为全国高校选拔优秀化学后备人才提供了参考。通过初赛和决赛选拔，优秀选手可代表中国登上国际舞台，为国争光。

第34 届中国化学奥林匹克竞赛（初赛）于2020年9 月12 日举行，全国有约7 万名高中生参加。本次初赛试题的命题核心思想依然是引导学生在夯实基础知识、掌握正确方法的基础上开拓思维和不断思考，试题结合实际、注重前沿［1］。本次初赛试题出现了一道独立计算题，即试题1-2［2］，为近些年少有的变化内容之一。下面笔者对该计算题的解法进行剖析，希望能为学生提供一些化学计算题解题思路，使更多的学生体会到探索的乐趣。

一、试题与参考答案

【试题1-2】现有铝镁合金样品一份，称取2.56 g样品溶于HCl，产生2.80 L H2（101.325 kPa，0 ℃），通过计算，确定此合金组成。

【参考答案】［3］铝、镁均可以和盐酸反应生成氢气，2.80 L 氢气一部分由铝与盐酸反应生成，另一部分由镁与盐酸反应产生。根据Mg、Al 与HCl 的反应方程式：Mg+2HCl＝MgCl2+H2↑，2Al+6HCl＝2AlCl3+3H2↑，可以得出反应中Mg、Al 与H2的物质的量的关系分别是Mg →H2、Al →1.5 H2，即n(Mg) mol 的镁与盐酸完全反应产生n(Mg) mol 的H2，而n(Al) mol 的铝与盐酸完全反应产生1.5n(Al) mol的H2。

解得：x=52.7%，1-x=47.3%。

则铝的质量分数为52.7%，镁的质量分数为47.3%。

二、其他解题方法

现在的教育注重锻炼学生的思维能力，让学生学会从多个方面去思考问题，灵活地运用不同的方法解决问题。针对该题，除中国化学会官网公布的解法外，笔者还从差量法、守恒法、假设法、十字交叉法、平衡计算等中学化学计算题常用解题方法中探寻出以下几种解题思路。

（一）守恒法

守恒法主要包括质量守恒法、物质的量守恒法、物料守恒法、质子守恒法、能量守恒法、离子守恒法、电子守恒法和电荷守恒法等。根据本题给出的条件，可选用物质的量守恒法、质量守恒法和电子守恒法进行计算求解。

思路一：物质的量守恒法

解：设合金中Mg和Al的物质的量分别是xmol和ymol。

根据Mg、Al与HCl的反应可以得出：

反应所得氢气的物质的量为：

思路二：质量守恒法

解：设合金中Mg的质量为xg，Al的质量为yg。

上述两种解题方法虽然运用的思路不同，但都是质量守恒和物质的量守恒相结合，列出二元一次方程进行求解。

思路三：电子守恒法

Mg、Al 与HCl 反应生成H2是置换反应，属于氧化还原反应范畴，反应过程中涉及电子得失，因此可用电子守恒法进行求解。

解：设合金中Mg和Al的物质的量分别是xmol和ymol。

Mg、Al 与HCl 的反应属于氧化还原反应，由此可得合金中金属失去的电子数=氢气得到的电子数。

根据Mg、Al与HCl的反应可以得出：Mg →H2↑，2Al →3H2↑。

根据还原反应方程式可得：

H+得到0.25 mol 电子，而这0.25 mol 电子正是两种金属失去电子的总和。

根据氧化反应方程式可得：

可以看出，xmol 的Mg 和ymol 的Al 完全被氧化需要失去(2x+3y) mol电子。

由①②两式联立可得：x=0.05 mol，y=0.05 mol

（二）十字交叉法

由于合金中Mg、Al 的质量百分含量总和为1，且合金与盐酸反应生成的H2总体积介于与合金等质量的两种金属分别与盐酸反应产生的氢气的体积之间，因此可以运用十字交叉法进行计算求解［4］。

解：设Al的质量为m，则Mg的质量为2.56-m。

根据Mg、Al 与HCl 的反应方程式，可以得出反应中Mg、Al 与H2的物质的量的关系为Mg →H2、Al →1.5H2。

假设合金全为Mg，根据关系式可得：

由此可以计算出Mg 完全反应产生的氢气的体积：

假设合金全为Al，根据关系式可得：

由此可以计算出Al 完全反应产生的氢气的体积：

由十字交叉法得：

经过上述几种解题思路的推演，我们发现，用不同的方法计算出的答案有一定的偏差。在参考答案中也做了补充说明，即因采用的相对原子质量不同而导致结果的最后一位数字稍有差别，可以正常得分。但为什么我们采用了与参考答案一致的相对原子质量，有的计算结果还是与参考答案有偏差？造成这一结果的原因可能是对应保留的有效数字未做明确要求。因为题目中并未说明计算结果应该保留几位有效数字，所以在计算过程中只能按个人习惯保留相应的有效数字，从而造成计算结果的偏差。

因此在解答计算题时，应该抱着严谨求实的态度，全面地考虑问题，尽可能地把偏差降到最低。同时，这也提醒命题者命题时应力求表述清晰、严谨、精确，即使考生从不同的角度去理解和分析题目，最后都能得到统一的答案。

三、总结与反思

计算题是中学化学各类考试的必考题型之一，其注重考查学生对图表、数据和信息的综合分析能力，体现了以“三维（知识内容、思想方法、认知能力）学习理论”为命题基础的化学学科核心素养考试［5］。在解答试题1-2 这样的计算题时，应注意以下两点。

（1）充分认识化学反应的本质。只有牢牢抓住化学反应前后的“变”与“不变”，才能真正地理解化学反应过程中的“守恒”。掌握物质间相互转化的守恒关系，可使问题的内在关系以更加清晰简洁的方式呈现出来，进而简化解题过程。

（2）十字交叉法是解决二组分混合物中组分比例关系的常用方法。正确选择混合物中的两个分量和平均量，明确两个量之比及量值代表的物理意义，进而运用二元一次方程进行求解。

无论是基于化学反应的本质进行计算，还是运用数学思维进行解答，守恒法和十字交叉法在解决有关二组分混合物的计算问题时有着殊途同归的作用。通过对试题1-2 解题思路的研究，不仅可以开拓学生思维，还可以启迪教师在教学中要提高学生透过现象看本质的意识和分析与解决问题的能力，培养学生“变化观念与平衡思想”化学学科核心素养。