整體思維與守恒法結(jié)合應用于化學解題中

謝勿玉 衷明華

(韓山師范學院,廣東 潮州 521041)

整體思維是一種重要的化學思維方法，就是說對一個化學問題不糾纏細枝末節(jié)，不著眼于局部，而注重對象之間的內(nèi)在聯(lián)系，縱觀全局，將需要解決的問題看作一個整體，分析過程前與后兩種狀態(tài)，研究問題的整體形勢、整體結(jié)構(gòu)或作某種整體處理，守恒法解題是指挖掘和發(fā)現(xiàn)諸多變化和繁雜數(shù)據(jù)中的不變量等關鍵條件[如各種守恒關系(質(zhì)量守恒、原子守恒、電荷守恒等)]來解題。如果我們把整體思維和守恒法聯(lián)手起來解決化學問題，不但能使化學計算繁瑣變簡潔，抽象變直觀，而且有助于訓練思維的敏捷性和靈活性，從而提高化學解題技能。

一、整體思維

整體思維是指從整體觀點出發(fā)研究問題的一種思想方法，是人們在研究和解決問題時常用的一種思維方法。用此法解化學題，能化繁為簡、化難為易，可使許多按常規(guī)方法不能解或解法繁瑣的問題得到快速簡便的解答。

二、守恒法

守恒定律是自然界最重要的基本定律，是構(gòu)成化學學科的基礎?；瘜W反應是原子(包括離子)之間的重新組合，反應前后組成物質(zhì)的原子個數(shù)、物質(zhì)的質(zhì)量始終保持不變即保持守恒。所謂守恒，就是指物質(zhì)變化(化學變化、物理變化)的過程中，某一特定的量固定不變。

守恒法是一種中學化學典型的解題方法，它利用物質(zhì)變化過程中某一特定的量固定不變來列式解題，可以免去一些復雜的數(shù)學計算，大大簡化解題過程，某些細微末節(jié)，直接抓住其中的特有守恒關系，快速建立計算式，巧妙地解答提高解題速度和正確率，它的優(yōu)點是用宏觀的統(tǒng)攬全局的方式列式，不去探求題目，化學反應的實質(zhì)是原子間的重新組合，所以一切化學反應都存在著物料平衡，所以物質(zhì)在參加反應時，化合價升降的總數(shù)，反應物和生成物的總質(zhì)量，各物質(zhì)中所含的每一種原子的總數(shù)，各種微粒所帶的電荷總數(shù)等，都必須守恒，所以守恒是解計算題時建立等量關系的依據(jù)，守恒法往往穿梭在其他方法中同時使用，是各種解題方法的基礎，利用守恒法可以很快建立等量關系，達到速算效果，守恒思想貫穿著中學化學始終，守恒法的靈活運用能夠簡化解題過程，從而快速準確地解答題目。

三、守恒法的具體運用

化學反應是原子(包括離子)之間的重新組合，宏觀上表現(xiàn)為伴隨化學反應有新物質(zhì)生成。依據(jù)這一特點我們將守恒法分為：質(zhì)量守恒、電荷守恒、電子守恒、原子守恒等。

(一)電荷守恒法在化學解題中的運用

在離子化合物(或溶液)中，陰離子所帶負電荷總數(shù)=陽離子所帶正電荷總數(shù)。根據(jù)這一基本內(nèi)容，它可以根據(jù)物質(zhì)中正負電荷的物質(zhì)的量，計算出陰、陽離子的物質(zhì)的量之間的關系式；它也可以根據(jù)單位體積溶液中電荷的物質(zhì)的量求算出陰、陽離子的物質(zhì)的量濃度之間的關系式。

A.amol B.(a+0.1mol)

C.0.1mol D.(0.1-a)mol

解析：本題涉及兩個化學反應，似乎應該根據(jù)剩余amolH+來確定反應消耗HNO3的量，然后根據(jù)兩個化學反應方程式聯(lián)立方程組求解，最后得到答案，但這樣做顯得太繁瑣。如能突破固有思維，根據(jù)“任何電解質(zhì)溶液均呈電中性”的原則去分析，便可輕而易舉地解決問題。

將有關數(shù)據(jù)代入得：

故正確答案為B。

[例2]把0.02mol/LHAc溶液和0.01mol/LNaOH溶液等體積混合,則混合溶液中微粒濃度關系正確的是( )。

A.c(Ac-)>c(Na+) B.c(HAc)>c(Ac-)

C.2c(H+)=c(HAc-)c(HAc)

D.c(HAc)+c(Ac-)=0.01mol/L

解析：此題實質(zhì)是0.005mol/LHAc溶液和0.005mol/LNaAc溶液的混合溶液。由電荷守恒關系可得:

c(H+)+c(Na+)=c(Ac-)+c(OH-)①

由物料守恒關系可得:

c(HAc)+c(Ac-)=2c(Na+)=0.01mol/L②

由②知D正確;將①×2+②可得:

2c(H+)=c(Ac-)+2c(OH-)-c(HAc)

C選項錯誤;再依據(jù)HAc的電離程度大于Ac-的水解程度可知:A正確,B錯誤。

答案：A、D

解析：選項A中要檢驗溴乙烷中的溴原子，必須先將溴乙烷在NaOH溶液中水解，然后用過量的HNO3綜合NaOH溶液，再加入AgNO3。選項B中CH3COOH為弱酸，在離子方程式中不能改寫；選項C中離子方程式的得失電子不守恒和電荷不守恒。

答案：D

(二)質(zhì)量守恒法在化學解題中的運用

從宏觀上闡述是:參加反應的各物質(zhì)的質(zhì)量總和等于反應后生成的各物質(zhì)的質(zhì)量總和，從微觀領域闡述則是：“在一切化學反應中，反應前后原子的種類個數(shù)(或數(shù)目)、原子質(zhì)量前后沒有變化,這個規(guī)律就是質(zhì)量守恒定律。在中學化學中，質(zhì)量守恒的規(guī)律有很多表現(xiàn)形式和應用，如溶液的稀釋或濃縮時溶質(zhì)的量守恒，物質(zhì)及其變化過程中的元素守恒等。

[例3]1500oC時，碳酸銨完全分解產(chǎn)生氣態(tài)混合物，其密度是相同條件下氫氣密度( )。

(A)96倍 (B)48倍 (C)12倍 (D)32倍

解析：1500oC時碳酸氫銨分解生成的產(chǎn)物全部都呈氣態(tài)(NH4)2CO3==2NH3↑+H2O↑+CO2↑，1mol(NH4)2CO3完全分解則可產(chǎn)生4mol氣體，則根據(jù)質(zhì)量守恒有m(NH4HCO3)=m(混合物),M(混合物)=m(混)/n(混)=m(NH4HCO3)/n(混)=96g/4mol=24g/mol,

∴D(混合物)/D(H2)=M[(NH4)2CO3]/MH2)=24/2=12故選C。

[例4]在桌上放一定質(zhì)量的氫氧化鉀的固體，要其暴露在空氣中，經(jīng)過分析，這個固體中水的質(zhì)量分數(shù)是2.8%，碳酸鉀的質(zhì)量分數(shù)是7.2%。稱取這個樣品1g加入到50mL濃度是3mol/L鹽酸中，中和多余的鹽酸用掉濃度為1.07mol/L的氫氧化鉀溶液30.8mL，再把中和之后的溶液進行加熱，蒸干，最后求出所得固體的質(zhì)量是多少？

A.6g B.4.5g C．11.175g D.8.45g

分析:如果按照普通的解答技巧來照本宣科的求取本題的最后結(jié)果，那么，這個過程就會變得非常繁瑣、復雜。通過細致分析已知條件，我們了解到最后所獲得的固體就是氯化鉀，氯化鉀里面的氯元素都來源于我們加進去的鹽酸。所以，按照氯元素的守恒規(guī)律可以知道，n(KCl)=n(HCl)=0.05L×3mol/L=0.15mol，因此m(KCl)=0.15mol×74.5g/mol=11.175g。因此我們可以知道正確的答案應該是C。

(三)電子守恒法在化學解題中的運用

電子守恒法主要應用于氧化還原反應中，因為在氧化還原反應中伴隨著電子的得失，而失去電子總數(shù)總是等于得到電子總數(shù)，得失電子總數(shù)永遠遵守守恒定律。

[例5]銅和鎂的合金4.6g完全溶于濃硝酸中，若反應中硝酸被還原產(chǎn)生4480mLNO2氣體和336mLN2O4氣體(都已折算到標準狀況)，那么在反應后的溶液中，加入足量的氫氧化鈉溶液生成沉淀的質(zhì)量為( )。

A.9.02g B.8.51g C.8.26g D.7.04g

解析:本題綜合運用了幾種守恒規(guī)律。最后沉淀為氫氧化銅和氫氧化鎂。根據(jù)電荷守恒，氫氧根所帶負電荷物質(zhì)的量等于銅離子和鎂離子所帶正電荷總物質(zhì)的量，n(OH-)=2n(Cu2+)+2n(Mg2+)，銅離子和鎂離子所帶正電荷總物質(zhì)的量等于合金失去電子總物質(zhì)的量。據(jù)電子守恒，反應過程中合金失去電子總數(shù)等于硝酸得到電子總數(shù)。轉(zhuǎn)移電子總物質(zhì)的量為硝酸被還原為NO2、N2O4所轉(zhuǎn)移電子物質(zhì)的量，1×4.48L/22.4L/mol+2×0.336L/22.4L/mol=0.23mol，即氫氧根物質(zhì)的量為0.23mol。

沉淀的質(zhì)量=合金質(zhì)量+氫氧根質(zhì)量=4.6g+0.23mol×17g/mol=8.51g

答案為B。

[例6]把50.00mL 0.10 mol/L的羥氨酸性溶液，和充足的Fe2(SO4)3在煮沸的條件下進行反應，生成的二價鐵離子正好被50.0mL 0.04mol/L的酸性高錳酸鉀溶液發(fā)生氧化反應。在此反應中，求羥氨的氧化產(chǎn)物是下列哪種( )。

A．NO2B．N2O C．NO D．N2

[解析]羥氨被三價鐵離子所氧化，二價鐵離子又被酸性高錳酸鉀溶液氧化?？偟膩碚f，羥氨失去的電子全部被高錳酸鉀所獲取。羥氨酸中的N為-1價，若羥氨的氧化產(chǎn)物中N為X價，那么依據(jù)電子守恒法可得：

[X-(-1)]X50.00mL×0.10mol/L=(7-2)X50.00mL×0.04mol/L。

解得：X=1，所以答案為B。

(四)原子守恒法在化學解題中的運用

[例7]將1.92gCu粉與一定量的濃HNO3反應,當Cu粉完全作用時,收集到氣體1.12L(標準狀況),則所消耗的HNO3的物質(zhì)的量是( )。

A.0.12mol B.0.11mol C.0.09mol D.0.08mo1

[解析]1.92gCu的物質(zhì)的量為0.03mol,根據(jù)原子守恒,Cu和HNO3完全反應后,生成0.03molCu(NO3)2,即消耗0.06molHNO3;產(chǎn)生氣體不管是NO2還是NO,均需消耗0.05mol HNO3。所以共消耗HNO30.11mol。

答案為B。

[例8]將1.05g鋁和過氧化鈉的混合物放入一定量的水中,充分反應后固體無剩余;再向其中加入50ml1mol·L-1的鹽酸,可恰好使反應過程中產(chǎn)生的沉淀消失。則原混合物中鋁m(A1)=( )g,過氧化鈉m(Na2O2)=( )g。

[解析]有關反應為:2Na2O2+2H2O=4NaOH+O2,2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2

NaAlO2+HCl+H2O=Al(OH)3+NaCl,Al(OH)3+3HCl=AlCl3+3H2O

最終溶液中所含溶質(zhì)為NaCl、AlCl3,設NaCl、AlCl3的物質(zhì)的量分別為x mol,y mol。

則Na2O2、Al的物質(zhì)的量分別為x/2 mol,y mol。

依題意有:

1/2×78+27y=1.05

x+3y=0.05(氯元素守恒)

解得:x=0.02(mol),y=0.01(mol)。

∴m(Na2O2)=0.78g,m(A1)=0.27g。

四、多重守恒問題

[例9]單質(zhì)鐵溶于稀HNO3的反應方程式為:

回答下列問題:(1)b、f、d、f的關系式:,d、f、g、h的關系式,f、g、h的關系式。

(2)若a=16,Fe和HNO3全部反應完全,則b的取值范圍:,c的取值范圍:。

(3)當c=m,g=n時,反應中電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目。

[解析](1)依電荷守恒有:-b+c=2d+3f,依元素守恒有:a=d+f(Fe元素守恒),b=g+2h(N元素守恒),依得失電子總數(shù)相等有:2d+3f=3g+8h。整理有:4g+10h=c。

(2)Fe與稀HNO3反應有下列四種情況:

3 2 8

16 b=(32/3)c=(16×8/3)

4 2 10

16 b=8 c=40

8 6 30

16 b=16 c=60

1 1 4

16 b=16 c=64

因此:8

(3)轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為3g+8h,而g=n,c=m=4n+10h,h=m-4n/10。

即3g+8h=3n+8×m-4n/10=3n+4/5(m-n)=4/5m-1/5n。

綜上所述，學生在解答這類問題的過程中,要把握全局、整體思維,要充分調(diào)用各種知識，透過表面現(xiàn)象，善于抓住守恒要素的實質(zhì),尋找物質(zhì)的性質(zhì)與數(shù)量間的本質(zhì)聯(lián)系,而不是僵化陷入題目所設情景之中。將守恒法運用于化學計算,常會使一些計算得到迅速求解,從而達到事半功倍的效果。

[1]羅琴.例談守恒法在化學解題中的應用.(2012)12-01.

[2]李輝.守恒法——整體思維在化學解題中的應用.

[3]顏如傳.守恒法在高中化學解題中的應用分析.2012.10.