高中化学教学中守恒法的有效应用

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；

②

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.