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高中化学教学中守恒法的有效应用

2023-06-08吴超

数理化解题研究·综合版 2023年2期
关键词:高中化学应用

摘 要:守恒法是一种分析问题的重要方法.高中化学教学中注重守恒法的有效应用,不仅有助于学习者更好地把握化学反应的本质规律,而且能提高其分析化学问题的效率.高中化学教学结合具体教学内容,做好相关守恒法知识讲解,展示守恒法的具体应用过程,给学生带来学习以及解题上的良好启发.

关键词:守恒法;应用;高中化学

中图分类号:G632   文献标识码:A   文章编号:1008-0333(2023)06-0128-03

高中化学中守恒法的应用主要体现在电子守恒、电荷守恒、物料守恒、质子守恒以及能量守恒上.1 电子守恒的应用

电子守恒是氧化还原反应遵循的重要规律.高中化学教学活动中应注重电子守恒在氧化还原反应问题中的运用,使学习者体会运用电子守恒解题的便利,养成运用电子守恒分析问题的意识与习惯.

例1 将7.6g铁铜合金放入到100mL某浓度的稀硝酸溶液中,合金完全溶解后,共收集到标准状况下NO气体2.24L.同时测得溶液中H+的浓度为0.5mol/L.忽略反应前后溶液体积变化,则以下说法错误的是(  ).

A.上述反应中金属共失去电子0.3mol

B.合金中铜的质量为4.8g

C.原硝酸的浓度c(HNO3)=3mol/L

D.要将溶液中的金属离子沉淀完全则需加70mL 5mol/L的NaOH溶液.

稀硝酸一部分表现为酸性,一部分表现为氧化性.表现氧化性的稀硝酸从金属中夺取电子,使得N的化合价由+5价降低至+2价.n(NO)=2.24L/22.4L/mol=0.1mol,N得到的电子数为0.3mol.设合金中铁、铜物质的量分别为x、y,由电子守恒可知3x+2y=0.3mol,又有56x+64y=7.6g,解得x=0.05,y=0.075,对应铜的质量为64y=4.8g.溶液中H+的浓度为0.5mol/L,表明剩余硝酸的物质的量为0.05mol.由N守恒可得:n(HNO3)=(0.05+0.1+0.05×3+0.075×2)mol=0.45mol,则c(HNO3)=0.45mol/0.1L=4.5mol/L.金属离子完全沉淀需要先中和剩余的HNO3,并根據Cu(OH)2和Fe(OH)3进行分析.需要消耗NaOH的物质的量为(0.05+0.05×3+0.075×2)mol=0.35mol,则所需5mol/L的NaOH溶液的体积为0.35mol/5mol/L=70mL.综上分析只有C项错误.

2 电荷守恒的应用

电荷守恒指电解质溶液中阴离子和阳离子所带电荷的总数是相等的,溶液对外不显电性.

例2 已知某溶液中可能含有Fe3+、Fe2+、NH+4、H+、Cl-、SO42-、S2-、HCO-3中的几种,取100mL样品,测得c(H+)=0.7mol/L,而后按照图1所示进行实验,其中X、Y为无色气体,气体均在标准状况下测得.根据实验操作与现象,则以下得出的结论不正确的是(  ).

A.一定不存在的离子有S2-、HCO-3

B.原100mL溶液中c(Cl-)=0.9mol/L

C.原100mL溶液中c(Fe3+)=0.3mol/L

D.生成气体X的离子方程式为

3Fe2++NO-3+4H+3Fe3++NO↑+2H2O

溶液中存在H+,首先排除和该离子反应的S-2、HCO-3.溶液中加入Ba(NO3)2,有气体和沉淀产生,其中气体为NO,物质的量为0.224L/22.4L/mol=0.01mol,溶液A为HNO3.沉淀C为BaSO4,物质的量为13.98g/233g/mol=0.06mol.溶液B加入过量NaOH加热生成的气体Y为NH3,物质的量为0.336L/22.4L/mol=0.015mol,生成的沉淀D为Fe(OH)3,物质的量为6.42g/107g/mol=0.06mol.生成气体X的离子方程式为3Fe2++NO-3+4H+3Fe3++NO↑+2H2O,则对应原溶液中含有0.03mol Fe2+和0.03mol Fe3+,c(Fe3+)=0.03mol/0.1L=0.3mol/L.溶液中离子所带的负电荷为0.06×2=0.12mol,离子所带的正电荷为0.07mol+0.03mol×2+0.03mol×3+0.015mol=0.235mol,由电荷守恒可知,溶液中还应含有0.115mol负电荷才能保证溶液为电中性,即,对应n(Cl-)=0.115mol,c=(Cl-)=0.115mol/0.1L=1.15mol/L.综上分析只有B项错误.

3 物料守恒的应用

物料守恒实际上是质量守恒的微观体现,指某一元素的原子在化学反应前后不会发生改变.该守恒常用于化学计算以及电解质溶液中离子浓度的大小比较中,计算时可不用考虑反应的过程,只需考虑原子的来源以及去向便可构建对应的等量关系.

例3 常温下,向NaOH和NaAlO2的混合溶液中滴加NaHCO3溶液,测得溶液pH和生成的Al(OH)3的物质的量和加入NaHCO3溶液的体积关系如图2所示,则以下说法错误的是(  ).

A.加入的NaHCO3先和NaOH反应

B.b点、c点均存在关系:c(Na+)>2c(CO2-3)+c(HCO-3)

C.NaHCO3溶液的物质的量浓度为0.9mol/L

D.d点对应的溶液中有:c(Na+)=2c(CO2-3)+2c(HCO-3)+2c(H2CO3)

由图可知在V(NaHCO3)在0~8mL时无沉淀生成,则先发生NaHCO3和NaOH的反应,对应的离子方程式为:HCO-3+OH-CO2-3+H2O.当加入NaHCO3的体积超过8mL时生成沉淀Al(OH)3,对应的离子方程式为:HCO-3+AlO2-+H2OAl(OH)3↓+CO2-3,其中加入40mLNaHCO3时的沉淀达到最大.b点和c点溶液由电荷守恒c(Na+)+c(H+)=2c(CO2-3)+c(HCO-3)+c(OH-),两点对应的溶液呈碱性,即,c(H+)<c(OH-),则c(Na+)>2c(CO2-3)+c(HCO-3).由图生成0.036mol Al(OH)3沉淀时对应消耗V(NaHCO3)=0.04L-0.008L=0.032L,消耗NaHCO3的物质的量为0.036mol,则c(NaHCO3)=0.036mol/0.032L=1.125mol/L.d点沉淀量最大,溶液中的溶质为Na2CO3,由物料守恒可知c(Na+)∶[(CO2-3)+(HCO-3)+(H2CO3)]=2∶1,则c(Na+)=2c(CO2-3)+2c(HCO-3)+2c(H2CO3).

综上只有C项错误.

4 质子守恒的应用

质子守恒是指酸失去的质子和碱得到的质子数目相同.需要注意的是质子守恒并不需要死记硬背,而是运用电荷守恒、物料守恒进行整理便可得出质子守恒等式.

例4 常温下,H2A为一种易溶于水的二元酸,将NaOH溶液滴入到等物质的量浓度的H2A溶液中,溶液中H2A、HA-、A2-的物质的量浓度随溶液pH的变化关系如图3所示,则(  ).

A.常温下,H2A的一级电离平衡常数为Ka1=10-6.27

B.当V(NaOH溶液)∶V(H2A溶液)=1∶1时,c(H+)-c(OH-)=2c(A2-)-c(H2A)

C.当pH=6.27时,c(A2-)=c(HA-)>c(H+)>c(OH-)

D.当溶液呈酸性时,c(Na+)>2c(A2-)+c(HA-)

由图可知c(H2A)=c(HA-)时pH=3.3,则H2A的一级电离平衡常数为10-3.3.V(NaOH溶液)∶V(H2A溶液)=1∶1时,分别由物料守恒、电荷守恒推导出质子守恒,即c(H+)-c(OH-)=

c(A2-)-c(H2A);pH=6.27时,c(A2-)=c(HA-),溶液显酸性,则c(A2-)=c(HA-)>c(H+)>

c(OH-).溶液显酸性时,c(H+)>c(OH-),由电荷守恒可得c(Na+)+c(H+)=2c(A2-)+c(HA-)+c(OH-),c(Na+)<2c(A2-)+c(HA-).综上分析只有C项正确.

5 能量守恒的应用

能量守恒是自然界普遍的基本规律之一,体现在化学反应中主要指热量.在分析热量时主要运用盖斯定律.实际上盖斯定律是能量守恒的具体体现.

例5 已知:①2C(s)+O2(g)2CO(g),ΔH=-221kJ·mol-1l;

2H2(g)2×436kJ·mol-1

4H(g)

O2(g)496kJ·mol-12O(g)

4×463kJ·mol-12H2O

下列说法正确的是(  ).

A.C(s)的燃烧热为110.5kJ/mol

B.2H2(g)+O2(g)2H2O(g),ΔH>0,ΔS<0,该反应是非自发反应

C.C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g),ΔH=+131.5kJ·mol-1

D.将2mol H2O(g)分解成H2(g)和O2(g)至少需要提供4×463kJ的热量

由燃烧热定义可知①中的产物并不稳定,A项错误.由②、ΔH的计算方法和能量守恒可知,2H2(g)+O2(g)2H2O(g)中ΔH=2×436kJ·mol-1+496kJ·mol-1-4×463kJ·mol-1=-484kJ·mol-1,B项错误.由盖斯定律①和②对应的热化学方程式联立计算得到:C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g),ΔH=+131.5kJ·mol-1,C项正确.由②对应的热化学方程式可知2mol H2O(g)分解成H2(g)和O2(g)至少需要提供484kJ·mol-1的热量,D项错误.综上选择C项.

参考文献:

[1] 陈善佐.高中化学解题中守恒法的运用研究[J].数理化解题研究,2022(10):128-130.

[2] 仝鹏.守恒法在高中化学习题教学中的应用[J].高中数理化,2021(24):73.

[责任编辑:季春阳]

收稿日期:2022-11-25

作者简介:吴超(1984.9-),女,吉林省四平人,本科,中學一级教师,从事高中化学教学研究.

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