1、例谈守恒 法 在高中化学教学中的应用 以化学计算及溶液中离子浓度大小比较为例 余杭中学 梅淇淇 311121 【摘要】在高中化学教学中，守恒思想是化学学习中的一种重要的思想，在化学计算、溶液中的离子反应等高考热门内容中都有广泛的应用。用守恒法解答化学问题不仅能大大缩减解题步骤，简化解题过程，减少运算过程中所消耗的时间，还能有效降低解题难度，达到快速、准确解题的效果。本文笔者以化学计算和离子浓度大小的比较为例，探讨守恒法在化学教学中的运用。 【关键词】守恒法 化学计算 离子浓度 一、紧扣守恒条件， 抓住初末状态 以化学计算为例 化学计算是高中化学学科一个重要内容，也是高中生比较头痛的一种类型，化
2、学计算类题目在高考以及化学竞赛考试中占据着非常重要的地位，通过观察近年来各类大大小小的考试题目，笔者发现很多计算都是要求学生以快速准确的方法来解决，而不是按照常规呆板的方法规规矩矩的计算。而要在有限的时间内快速解决此类问题，守恒法的运用就显得尤为重要，其特点是抓住有关变化的始态和终态，忽略中间过程，利用其中某种不变量建立关系式，从而简化思路，快速解题。下面本文就结合几道例题对此方法进行详细论述。 1、质量守恒 （或原子守恒） 解析：本题涉及到原固体氢氧化钾（含杂质）与盐酸的反应及过量盐酸与中和液氢氧化钾的反应，假如按以往的解题方法按部就班的计算结果，过程会 很复杂，若通过写方程式来解答，一来耗
3、时较多，二来出错率较高，因此本题可用流程图来解答。 以始态终态法思路 : 将未发生反应时作为始态，即含有杂质的氢氧化钾固体，将所有反应结束时作为终态 ，最终得到的为 KCl 固体。通过对已知条件的细致分析，根据初末状态可得，在整个过程中不变的量是氯元素，由题可得氯元素全部是来自于所加入的盐酸。那么，根据氯元素守恒可知， n（ KCl）=n(HCl)=0.05L 3mol L=0.15mol，所以 m(KCl)=0.15mol 74.5g mol=11.175g。所以正确答案是 C。 例 2：现有一定量的 Cu 和 Fe2O3组成的混合物，向其中加入 2molL 1的盐酸溶液 150mL，恰好完
4、全溶解，所得溶液加入 KSCN 无血红色出现若用过量的 CO在高温下还原原混合物，固 体质量减少为（） A 1.6 g B 2.4 g C 3.2 g D 4.8 g 解析：本题考查混合物计算，解题的关键是要明确溶液中氯化亚铁、氯化铜的物质的量关系，然后抓住其中不变量，利用守恒思想，就能快速准确的解答。根据题意，向一定质量的 Cu和 Fe2O3的混合物中加入 300mL 2mol/L 的 HCl 溶液恰好完全溶解后，再向其中加入 KSCN 溶液，无血红色出现，说明溶液中没有铁离子，所以最终溶液中溶质为 FeCl2、 CuCl2。由于本题涉及到的方程式比较多，反应较为复杂，为了节省时间并且明确
5、思路，可以通过物质转化的流程图来辅助计算。具体流程如下： 由题可知， 混合物用过量的 CO 发生反应： Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2，固体减少质量等于 Fe2O3中氧元素的质量，因此只 要得到原混合物中氧化铁的质量即可解答本题。简化流程图，观察可得铁元素与氯离子有一定联系，虽然氯元素最终以 FeCl2、 CuCl2 的形式存在，但在过程中我们可以发现最终溶液的组成都是由 FeCl3转化而来的，而 FeCl3是由 HCl 和 Fe2O3反应得到，因此，可通过氯元素守恒得到氧化铁的质量： n（ FeCl3） =31 n(HCl)=31 2molL 1 0.15L=0.1mol n（ Fe2
6、O3） = n（ FeCl3） =0.05mol 固体减少的质量就等于 Fe2O3中氧元素的质量，所有 m(减少 )=0.05mol 3 16g/mol= 2.4g。所以答案选 B。 本题考查了混合物中各元素间的关系式，充分利用原子守恒，可快速解题。从题中信息可得，往所得溶液中加 KSCN 溶液，无红色出现，说明溶液中无 Fe3+，所以最终状态溶液中的溶质为 Fe(NO3)2。 反应流程如下： 最终铁元素以 Fe(NO3)2的形式存在。用足量氢气还原相同质量的混合物，说明氢气能使铁全部还原出来，从化学反应质量守恒的角度看， Fe(NO3)2中的铁的物质的量与氢气 还原后得到的铁的物质的量相同。
7、而 Fe(NO3)2又可以根据稀硝酸的量来计算： n（ HNO3） =0.15L 4 mol L-1=0.6mol， n（ NO）= mol/4.22 24.2L L =0.1mol 所以最终溶液中的硝酸根的量为 0.5mol n（ Fe） =n（ Fe(NO3)2） =0.25mol，所以最终得到铁为 0.25mol，答案选 B。 2、电子守恒 电子守恒法主要是针对氧化还原反应。无论是自发进行的氧化还原反应还是原电池或电解池，在任何氧化还原反应中，氧化剂得到的电子数一定等于还原剂失去的电子数，这就是电子守恒规律。 分析：根据题意可将题中的反应过程表示如下： 从中我们可以看出：通过初末的物质状
8、态判断，整个反应只有铜和氧气化合价在变化。反应过程中 Cu 的失去电子被 O2所得， HNO3在反应前后价态相同， N 元素在整个过程中最终没有变价。因此利用氧化还原反应中得失电子守恒规律得出： n(Cu) 2=n(O2) 4， n(Cu)=2n(O2)=14.22 68.12 molL L=0.15mol。 然 后 加 氢 氧 化 钠 溶 液 时 发 生 Cu2+ 2OH =Cu(OH)2 ， 所以 n(OH )=2n(Cu2+) ， 因此V(NaOH)=15 15.02)( )( Lm ol m olNa O Hc Na O Hn=0.06L=60mL。 解析：本题所涉及的化学反应很多，如
9、果通过方程式来计算分解后的产物与氯气的量，会显得十分复杂，并且错误率高。本题中 KMnO4 中的锰元素为 + 7价，分解后得到含锰化合物和氧气，锰化合物的还原产物都是 +2 价的锰离子，因此利用这一点，本题就可以利用初末状态得失电子守恒的思路求解。以下是思路流程： 由以上流程图可清晰得出，整个过程通过氧化还原反应，由最初的高锰酸钾得到最终的氧气，氯气和氯化锰三种产物。根据氧化还原反应的得失电子守恒规律， KMnO4 中 Mn 得到的电子总数，等于 KMnO4中 O 失去的电子总数与浓盐酸中氯离子失去电子变为氯气的失电 子总数之和。根据题意可得：6.32gKMnO4 的物质的量 n(KMnO4
10、)= mol/g158 g32.6 =0.04mol， n(O2 )= mol/4.22 112.0 L L =0.005mol。最终高锰酸钾中 +7 价的锰元素全部变为 +2 价的锰，总共得到电子的物质的量为 n(得电子 )=0.04 5=0.2mol，失去电子的为氧元素和氯离子，即 n(失电子 )=n( O2 ) 4e- + n( Cl2 ) 2e-，根据得失电子守恒： n（得电子） = n( O2 ) 4e- + n( Cl2 ) 2e- 0.2mol = 0.005 mol 4e- + n( Cl2 ) 2e- n( Cl2 )=0.09mol V( Cl2 ) = n Vm = 0.
11、09 mol 22.4 L/mol = 2.016 L，答案选 C。 在化学计算题中，守恒法是极其重要的一种解题方法与技巧，运用守恒法解题的过程中要善于抓住反应本质，巧妙跨越中态，只考虑起始和终态，这是一种整体思维方法，可借助反应流程图，能更快理清思路，从而可大大简化解题过程，提高解题效率。 二、 遵守恒，抓主次 以混合溶液中的离子浓度大小比较为例 水溶液中离子浓度的大小比较是高考的必考热点，它涉及到的知识点多，综合性强，要解决这类问题，必须掌握强弱电解质的电离，盐类的水解平衡， pH 的计算，离子反应等基础理论知识，熟练运用三大守恒思想，即电荷守恒，物料守恒，质子守恒，以及电离和水解两大理论
12、。 离子浓度的大小比较是放在化学反应原理中盐类水解的应用这一块内容中，因此，盐类水解是解决这类问题的重要依据及切入点，为了更准确有效的解决此类问题，笔者认为，除了要紧扣“三个守恒”，更要抓住溶液中微粒的主次关系，明确哪些是主要离子，哪些是次要离子，大范围定好之后再去比 较每个微粒的大小，下面笔者以抓主次为主，结合电离和水解理论，对这一类题型加以诠释。 例 1： 把物质的量都是 1mol的 CH3COOH和 CH3COONa 配成 1L 混合溶液，已知该混合溶液呈酸性，试写出该混合溶液中各离子浓度大小的关系和电荷守恒表达式及物料守恒表达式。 解析：混合溶液为 1mol/LCH3COOH， 1mo
13、l/LCH3COONa，存在反应： CH3COONa CH3COO-+Na+ CH3COOH CH3COO-+H+ CH3COO-+H2O CH3COOH+OH- H2O H+OH 从以上反应中可判断溶液中：主体微粒： CH3COO-、 Na+、 CH3COOH， 少量微粒： H+、 OH- 溶液呈酸性，说明醋酸的电离 醋酸根的水解 ，所以主体离子中 C(CH3COO-)C(Na+)，少量离子中C(H+)C(OH-),离子浓度大小： C(CH3COO-)C(Na+)C(H+)C(OH-) 电荷守恒： C(Na+)+C(H+) C(OH-)+C(CH3COO-) 物料守恒： 2C(Na+) C(
14、CH3COOH)+C(CH3COO-) （已知 C(Na+)=1mol/L， C(CH3COOH)+C(CH3COO-)=2mol/L） 变式 1： 把物质的量都是 1mol的 CH3COOH 和 CH3COONa 配成 1L 混合溶液，已知该混合溶液中C(CH3COO-)C(Na+)，试写出该混合溶液中各种微粒 (水分子除外 )浓度 大小的关系。 解析：与例 1 相比，稍微改变了一下条件，但反应不变，仍然存在以上四个反应，根据C(CH3COO-)C(Na+)，可得 醋酸的电离 醋酸根的水解，其余均不变，所以主体微粒为 CH3COO-、 Na+、 CH3COOH 且 C(CH3COO-)C(N
15、a+)C(CH3COOH)，少量微粒仍然是 H+、 OH-，且 C(H+)C(OH-)。 所以微粒浓度大小： C(CH3COO-)C(Na+)C(CH3COOH)C(H+)C(OH-) 变式 2： 把物质的量都是 1mol的 CH3COOH和 CH3COONa配成 1L混合溶液，已知常温下 Ka(CH3COOH)=1.8 10-5，试写出该混合溶液中各种微粒 (水分子除外 )浓度 大小的关系。 解析 ： Ka(CH3COOH)=1.8 10-5，而醋酸根的水解常数 Kh= Kh=10-14（ 1.8 10-5） =5.6 10-8， 由此可见 ， KaKh， 电离大于水解 ， 解法跟前两题一样
16、。 例 2：在 25时，将 pH=11 的 NaOH 溶液与 pH=3的 CH3COOH 溶液等体积混合后，试写出该混合溶液中各离子浓度大小的关系和电荷守恒表达式。 解析： pH=11 的 NaOH 溶液与 pH=3 的 CH3COOH 溶液混合后，溶质为 CH3COONa和多余的 CH3COOH，所以溶液中存在以 下反应： CH3COONa CH3COO-+Na+ CH3COOH CH3COO-+H+ CH3COO-+H2O CH3COOH+OH- H2O H+OH 从以上反应中可判断溶液中：主体微粒： CH3COO-、 Na+、 CH3COOH， 少量微粒： H+、 OH- 电荷守恒： C
17、(Na+)+C(H+) C(OH-)+C(CH3COO-) 由溶液成分可知， C(CH3COO-)C(Na+)，根据溶液中电荷守恒， C(H+)C(OH-) 所以离子浓度大小： C(CH3COO-)C(Na+)C(H+)C(OH-)。 变式 1：在 25时，将稀氨水逐滴加入到稀硫酸中并使得溶液的 pH=7，试写出 该混合溶液中各离子浓度大小的关系和电荷守恒表达式。 解析：稀氨水和稀硫酸反应 后 pH=7， C(H+)=C(OH-)， 说明此时溶液中的成分为 (NH4)2SO4和 NH3 H2O， 溶液中存在以下反应 ： (NH4)2SO4 2NH4+SO42- NH3 H2O NH4+OH-
18、NH4+H2O NH3 H2O+H+ H2O H+OH 主体微粒为 NH4+、 SO42-、 NH3 H2O，少量微粒为 H+、 OH ， 离子浓度大小关系为： C(NH4+)C(SO42-)C(H+)=C(OH-) 电荷守恒： C(NH4+)+C(H+)=2C(SO42-)+C(OH-) 变式 2：将 2molCH3COONa 和 1molHCl 混合后配成 1L 溶液，已知常温下 Ka(CH3COOH)=1.8 10-5，试写出该混合溶液中各离子浓度大小的关系和电荷守恒表达 式 。 解析： 2molCH3COONa和 1molHCl 混合后配成 1L溶液 ， 反应后可得浓度都为 1mol/
19、L 的 CH3COOH、 NaCl和 CH3COONa（剩余）。这些物质在溶液中存在以下反应： NaCl Na+Cl CH3COONa CH3COO-+Na+ CH3COOH CH3COO-+H+ CH3COO-+H2O CH3COOH+OH- H2O H+OH 溶液中主体微粒为： Na+、 Cl 、 CH3COO-、 CH3COOH， 少量微粒为： H+、 OH 由 Ka(CH3COOH)=1.8 10-5，而醋酸根的水解常数 Kh=10-14（ 1.8 10-5） =5.6 10-8，由此可见， KaKh，电离大于水解，因此 C(CH3COO-)C(CH3COOH) 离子浓度大小： C(N
20、a+)C(CH3COO-)C(Cl )C(H+)C(OH-)。 离子浓度的比较分为单一溶液和 混合溶液，不管是什么情况，首先要判断溶液中有哪些成分， 然后根据每个成分特点写出溶液中会发生的离子方程式（电离或者水解，或者两者都有），当然不能忽略溶液中一直存在的水分子。然后根据反应判断出溶液中存在的主体微粒和少量微粒，主体微粒通常是溶液中本身存在的较多的微粒，少量微粒通常是水解或电离产生的。大范围判断好之后，再根据电离或者水解程度的大小判断各离子浓度大小，同时借助电荷守恒，可得出最终结论。 三、结论 守恒法是高中化学学习的重要方法，凡是涉及到化合物的计算、离子反应、氧化还原反应等内容都会考虑到用 守恒思想解题。其核心在于抓住反应物质的初末状态，分析化学变化的过程，最好能将物质变化过程用流程图表示，不仅可以避免复杂的求解过程，同时还能高效准确地解题，从而能起到事半功倍的作用。因此，在平时教学过程中要引导学生寻找题中隐含条件，注重培养学生创造性思维，思维方式活跃了，在做题的时候就能灵活多变，然后以最快的速度找到最有效的解题办法，最终提高得分率。 参考文献 1 刘芝东 .浅谈化学计算中守恒思想的应用 J. 河南科技， 2014(1):273 2 汪斌 .初末态思想和守恒法在化学计算中的应用 J.数理 化学习（高一二版） ,2014:41-41
