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浅议元素守恒在化学计算中的应用

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  [摘   要]在关于元素守恒在化学计算中的应用的综合课中,通过各类例题,由浅入深,由单一元素守恒到多种元素守恒,培养学生对元素守恒知识的理解、应用、创新,真正做到“授人以渔”。
  [关键词]元素守恒;质量守恒;化学计算
  [中图分类号]   G633.8        [文献标识码]   A        [文章編号]   1674-6058(2019)08-0071-02
  “质量守恒定律”是华师大版九年级上册第一章第一节的内容。根据质量守恒定律可知:参加化学反应的各种物质的质量之和等于生成的各种物质的质量之和。质量守恒定律的实质是:化学反应前后元素的原子种类没有改变,各元素的原子数目也没有增减,各元素的原子的质量也没有改变,所以在化学反应前后各元素质量守恒。笔者通过下面例题展示元素守恒法在化学计算中的巧用,帮助学生理解和应用元素守恒法巧妙解题。
  【例1】 30 g某有机物和氧气恰好完全反应,生成88 g二氧化碳和54 g水,由此可知,该有机物中 (      )。
  A.含有碳、氢、氧三种元素
  B.只含有碳、氢两种元素
  C.一定含有碳、氢元素,可能含有氧元素
  D.无法确定
  这是相对简单的常规题,学生根据质量守恒定律可知反应前后元素的质量守恒,反应后有二氧化碳和水生成即反应后有C、H、O三种元素,反应前也应该有C、H、O三种元素且各元素质量保持不变。从题干的“有机物和氧气反应”可以判断有机物中一定含有C、H元素,是否含有O元素,可以根据“反应后C、H元素质量之和是否和反应前有机物质量相等”来判断。即
  由计算可得,反应后C、H元素的质量之和等于反应前的有机物质量,所以有机物中没有氧元素,即可得出答案B。这道题是元素守恒的常规题,这种元素守恒题经常出现。学生根据反应前后元素守恒及化合物中元素质量的求法,就可解决此类题。接下来,笔者让学生挑战例2,这是一道没有任何数字的计算题。
  【例2】将一定质量的碳酸钙和单质碳的混合物置于坩埚中充分灼烧,假定生成的气体能全部收集起来,结果发现所得气体质量恰好等于原混合物质量,试求原混合物中碳元素的质量分数。
  笔者让学生仔细研读题干,从题干获取有用信息。学生从题干中提取到以下信息:1.碳酸钙和碳在坩埚中灼烧;2.生成的气体质量恰好等于原混合物的质量。这时学生提出疑问:那生成的气体是什么呢?通过分析化学方程式“[CaCO3加热CaO+CO2↑],C + O 2 [点燃   ] CO2”可知,生成的气体是二氧化碳。题目要求的是混合物中碳的质量分数,即碳酸钙中的碳元素和碳单质在原混合物中的质量分数。师生共同分析上述化学方程式发现:原混合物中碳酸钙的碳元素和碳单质的碳元素都转化成了二氧化碳的碳元素(用红色圆圈圈出相关守恒元素,让学生一目了然),即二氧化碳中碳元素的质量就是原混合物中碳元素的质量,且生成的二氧化碳气体质量等于原混合物的质量。根据这些就可以求出原混合物中碳元素的质量分数了。设原混合物的质量为m g,则碳元素的质量分数为:
  通过这道题的分析,学生深刻地感受到原来质量守恒定律还可以这样来应用,居然可以将没有任何数字的题目算出结果。这时,学生已经对元素守恒产生了极大的兴趣,笔者趁热打铁,让学生继续挑战难度略有上升的例3。
  【例3】在CO和CO2的混合气体中,氧元素的质量分数为64%,将该混合气体10克通过足量的灼热的氧化铜,完全反应后,把气体全部通入足量的澄清石灰水中,得到白色沉淀的质量是多少克?
  通过此题的分析,学生发现原来反应产物的质量也可通过反应前后元素守恒来计算,大大减少了中间过程,避免了烦琐的计算,真是奇妙。在学生感叹化学奇妙之时,笔者出示比例3更复杂的例4。
  【例4】Na2O、Na2CO3、NaOH组成的固体混合物8.0克与质量分数为36.5%的盐酸20.0克,恰好反应完全,蒸干溶液,最终得到的固体质量为多少克?
  学生仔细研究题干发现,要求最终得到的固体质量,就必须知道最终得到的固体是什么物质。学生讨论后书写化学方程式:
  分析三个化学方程式,学生发现最终的固体是氯化钠(让学生圈出化学反应方程式中相关的守恒元素),存在两种元素守恒:(1)反应物中的钠元素都转化到了氯化钠中;(2)氯化钠中的氯元素都来自于盐酸。学生产生疑惑:是否两种元素守恒都要利用呢?学生通过再次讨论发现:(1)中无法得知反应物中的钠元素的质量,所以无法求出氯化钠的质量;(2)中生成物中的氯元素全部来自盐酸,且盐酸中氯化氢的质量是可以求得的。在例3的铺垫下,根据反应前后氯元素守恒,可求出氯化钠的质量。具体如下:
  通过例4和例3的分析,学生发现原来这么烦琐的化学计算通过元素守恒法居然可以变得这么简洁,元素守恒在化学计算中的运用真是“绝妙”。在例题的分析讨论过程中,既培养了学生的思维能力,又让学生感受到元素守恒的“奇妙”,增加了学生对科学的兴趣,提升了学生对知识的运用和理解能力。在学生喜悦之际,笔者让学生挑战难度更大的多种元素守恒问题,这时,学生都兴致高涨,跃跃欲试。
  【例5】含有Fe、Zn 、Al的合金粉10.5克与20%稀硫酸溶液恰好完全反应。蒸干后得到晶体29.7g(不含结晶水),则合金与硫酸反应后最多可收集到氢气(    ) 。
  A.1.16 g
  B.0.875 g
  C.0.40 g
  D.无法判断
  学生通过研读题干得出有用信息:Fe、Zn 、Al都可以和硫酸发生反应,生成氢气。化学反应化学方程式为:
  学生分析讨论后发现,蒸干后的固体成分是FeSO4 、ZnSO4、Al2(SO4)3。学生通过圈出相关守恒元素发现:反应前后铁元素、锌元素、铝元素的质量保持不变,蒸干后晶体质量增加的是硫酸根离子的质量,m(SO42-)=29.7-10.5=19.2(g);而硫酸中的氢元素都转化为氢气中的氢元素,即求氢气的质量其实就是求硫酸中氢元素的质量,由m(H2)∶m(SO42-)=2∶96= x g∶19.2 g,得x=0.4 g,亦即氢气的质量。虽然本题存在多种元素守恒,对学生来说难度很大,但有例4做铺垫,学生经过讨论后,也顺利完成了解答,超出了笔者的预期。从中笔者也反思总结到:教师要相信学生,学生的理解应用能力和创造力是无限的。
  通过质量守恒定律中元素守恒法在化学计算中应用的五个例题,题题相扣,由浅入深,由一种元素守恒到多种元素守恒,师生、生生共同合作,讨论分析,最终学生掌握了元素守恒在化学计算中的应用,并且能举一反三,比原来只懂得化学反应前后元素守恒的表象深入了很多。由此,学生了解到质量守恒法定律在具体计算中的各式应用,并感受到元素守恒在化学计算中的“强大”——在很多计算中都可以用到且可以把复杂、多步的计算题通过一系列的分析变得简单易解。可见,只要我们教师用心总结、反思,师生共同分析讨论,就能找到合适的方法解决难题,真正做到“授人以渔”,这也正是我们科学核心素养所要求的。
  (责任编辑 罗 艳)
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