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守恒法在化学计算中的应用

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  摘 要:中学化学常见的守恒法有质量守恒法、电子守恒法、电荷守恒法、体积守恒法,这些方法的灵活运用,会给我们化学计算带来许多方便,更能提高我们的计算效率。
  关键词:守恒法;运用;技巧
  1 质量守恒法
  质量守恒法法主要包括化学反应前后物质的总质量相等及反应前后某元素的质量相等两个方面。
  1.1 在反应前后物质总质量守恒的应用
  例1、将NO2、NH3、O2的混合气体26.88L通过稀硫酸后,溶液质量增加45.75g,气体体积缩小为2.24L。将带火星的木条插入其中,木条不复燃,则原混合气体的平均相对分子质量为         。(气体体积均在标况下测定)
  解析:
  混合气体26.88L通过稀硫酸,发生反应:
  2NH3+H2SO4=(NH4)2SO44NO2+O2+2H2O=4HNO3
  3NO2 +H2O=2HNO3+NO。
  由于木条不复燃,知氧气不足,故剩余2.24L气体为NO。根据质量守恒知,M=总质量/总物质的量=(溶液质量的增重+放出NO的质量)/ 总物质的量=[45.75g+(2.24L/22.4L·mol-1 * 28 g/mol) ]/ (26.88L/22.4L·mol-1)=40.625。故原混合气体的平均相对分子质量为40.625g/mol。
  1.2 在反应前后某元素原子质量守恒的应用
  例2、38.4mg Cu完全溶解于一定量的浓硝酸后,收集到22.4mL气体(标况),则在反应过程中消耗硝酸的物质的量为(         )
  A. 0.001mol                      B. 0.0016mol
  C. 0.0022mol                     D. 0.002mol
  解析:
  根据原子守恒知,消耗n(HNO3)=n(HNO3)氧化性+n(HNO3)酸性=0.0224/22.4L·mol-1+2×0.0384/64g·mol-1=0.0022mol。故应C。
  2 电子得失守恒法
  电子得失守恒法是根据氧化还原反應中氧化剂与还原剂得失电子总数相等的原理进行解题的方法。该法主要适用于氧化还原反应中有关氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物的量及它们之间的比例关系的计算。
  例3、3.84gCu投入一定量的浓硝酸中,铜完全溶解,生成气体的颜色越来越浅,共收集到1344mL气体(标准状况),将盛有此气体的容器倒扣在水中,通入标准状况下一定体积的氧气,恰好使气体溶于水,则通入氧气的体积为(         )
  A. 3.36L                   B. 0.224L
  C.0.672L                   D. 1.12L
  解析:
   浓HNO3              O2  、H2O
  Cu   →  NOx    →  HNO3
  从整体角度分析,得电子的物质是氧气,失电子的物质是铜,设氧气的物质的量为x,再借助电子守恒可知,3.84g/64g·mol-1×2 = 4x,得x = 0.03mol,故通入氧气的体积为0.03mol×22.4mol·L-1 = 0.672L,应选C。
  3 电荷守恒法
  电荷守恒法主要适用于在电解质溶液中的有关离子浓度的大小比较、离子浓度的计算、离子反应的计算。
  例4、把aL含、NH4 NO3的混合液分成两等份。一份加bmolNaOH并加热,恰好把NH3赶出;另一份消耗cmolBaCl2才能使SO42-恰好沉淀完全。则原溶液中NO3-的物质的量浓度是(         )
  A. (b—2c)/amol·L-1          B. (2b—c)/amol·L-1
  C. (b—4c)/amol·L-1         D. (2b—4c)/amol·L-1
  解析:
  由题意知,反应后溶液中的溶质为NaCl和NaNO3,根据电荷守恒n (NH4 +)总=2b,故根据电离反应可知,硫酸铵中的铵根离子=4c,所以c(NO3-)= (2b—4c)/amol·L-1。故应选D。
  4 气体体积守恒法
  体积守恒法是根据化学反应前后气态物质的物质的量不变(即同温同压下反应前后气体的体积不变)的原理进行解题的方法。
  例5、同温同压下,两个等体积的干燥圆底烧瓶中分别充满①NH3②NO2,进行喷泉实验。经充分反应后,瓶内溶液的物质的量浓度为(         )
  A. ①>②                     B. ①<②
  C. ①=②                     D. 无法确定
  解析:
  此题可采用特例分析法:假设烧瓶体积为22.4L(气体为标准状况下测定)。则进行喷泉实验后,c(NH3)=n(NH3)/V=1/22.4mol·L-1;3NO2+H2O=2HNO3+NO,由反应知NO2进行喷泉实验后,HNO3的物质的量为2/3mol,同时由气体体积守恒知HNO3的体积为:V(HNO3)=22.4-V(NO)= 22.4-22.4×1/3=2/3×22.4L。所以c(HNO3)=(2/3mol)/(2/3×22.4L) =。故应选C。
  5 结论
  用NH3、或HCI做喷泉实验,若混有不与该气体反应的气体,如空气、氧气、氮气等,则不论混合气体比例如何、水是否充满烧瓶,标准状况下其溶液浓度均为1/22.4mol·L-1。中学化学中的计算,有很多巧解的试题,只要我们能够多发现、多探讨,就能找到解题的捷径。
  参考文献:
  [1]李安.高中化学奥林匹克竞赛《解题方法大全》[M].太原:山西教育出版社,2002.
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